據新華社報導,11月30日,探月工程嫦娥五號任務飛行控制團隊按計劃實施嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離。凌晨4時40分,在科技人員精確控制下,嫦娥五號探測器組合體順利分離。
截至目前,探測器各系統狀態良好,地面測控通信正常,軌道器和返回器組合體將繼續在平均高度約200公裡的環月軌道上飛行並等待上升器交會對接,著陸器和上升器組合體將擇機實施月面軟著陸,進行自動採樣等後續工作。
此次組合體成功分離前,在飛行控制團隊的精確控制下,經兩次軌道修正、兩次近月制動「剎車」,嫦娥五號得以成功進入近圓形環月軌道。
本次嫦娥五號任務,是我國航天領域迄今為止最複雜、難度最大的任務之一。嫦娥五號探測器不僅要成功落月,還要實現月面採樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回地球等多個首創性任務環節。
這些環節中,哪些曾在嫦娥三號、四號等「前輩」任務中實現,此次又有什麼不同?哪些環節是新的挑戰?
策劃統籌:張志超
南方日報記者 王詩堃 徐勉 通訊員 段遜 宋星光
出 發
嫦娥系列最複雜的構型
北京時間11月24日4時30分,長徵五號遙五運載火箭在海南文昌航天發射場點火升空,經過2200多秒的飛行,成功將「嫦娥五號」月球探測器送入「地月轉移軌道」,發射取得圓滿成功。
發射成功只是開始。在前往月球的飛行過程中,受多種因素影響,探測器會產生軌道偏差,需要在地面人員的指揮下修正軌道,朝正確方向繼續飛向月球。
本次嫦娥五號任務發射入軌精度較高,軌道修正量很小:北京時間11月24日22時6分,嫦娥五號探測器第一次軌道修正順利完成;11月25日22時6分,第二次軌道修正順利完成。嫦娥五號探測器達到預期目標。
相比於「前輩」,目標為「採樣返回」的嫦娥五號構型更為複雜。不同於嫦娥三號、嫦娥四號的著陸器+巡視器的組合,嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分「串聯」。
要想精準操控好這「一串」飛行器目標,遙控指令和注入數據類型多,在任務準備實施過程中,需生成會籤大量控制計劃及注入數據,這將考驗北京航天飛行控制中心對太空飛行器指揮控制的能力。
此外,在嫦娥三號、嫦娥四號任務中,位於探測器最下端的是著陸器,它所攜帶的是7500牛變推力發動機。而此次嫦娥五號任務的最下端為軌道器,使用的是3000牛發動機,這也是我國首次使用3000牛發動機進行近月捕獲控制。為此,在第一次中途修正時,北京飛行控制中心在修正軌道的同時,還兼顧實施3000牛發動機的點火試噴,這與此前的任務有所不同。
還有,在嫦娥三號、四號任務中,在落向月球之前,飛控團隊已經在軌道修正中對7500牛發動機進行過試噴,掌握了發動機的狀態。但在嫦娥五號任務中,7500牛發動機中途修正和近月制動不會使用,這也使得飛控團隊無法直接判斷其狀態,因此對應急處置的要求更高。
11月28日20時58分,嫦娥五號探測器完成近月制動,順利進入環月軌道。「近月制動」是月球探測器飛行過程中關鍵的軌道控制之一。高速飛行的探測器在靠近月球時,實施「剎車」制動,目的是使其相對速度低於月球逃逸速度,從而被月球引力捕獲。
11月29日20時23分,嫦娥五號探測器在近月點再次「剎車」,從橢圓環月軌道變為近圓形環月軌道。
11月30日凌晨,嫦娥五號探測器的四個組成部分開始「分頭行動」:「軌道器+返回器」的組合體在月球軌道待命;「著陸器+上升器」的組合體將擇機下降實施月面軟著陸。
對 接
世界首次月球軌道自動交接樣品
總的來說,前往月球的環節,無論是中途軌道修正還是「剎車」進入月球軌道,在嫦娥一號到四號以及嫦娥五號T1試驗器任務中都已有成功經驗。嫦娥三號、嫦娥四號任務也成功實現了月面軟著陸。此次嫦娥五號任務中,採樣完成後的「月面起飛」和「月球軌道無人交會對接」等環節將是首次挑戰。
回顧歷史,只有美國和蘇聯曾完成月球採樣任務。其中美國的阿波羅計劃是載人登月,由太空人採回樣本。
此次嫦娥五號任務,為了多攜返樣品,並沒有採取蘇聯式的直接起飛返回地球方案,而是增加了月球軌道對接環節,有些類似美國阿波羅計劃的無人版:著陸器在採樣完成後將留在月球,上升器獨自起飛。
上升器起飛過程中,著陸器的最後任務是作為起飛平臺,為上升器提供安全起飛的環境。上升器將攜帶樣品獨自前往月球軌道同軌道器+返回器組合體對接。
在38萬公裡外的月球軌道實施無人交會對接,在世界上也是首次。其中對接機構中的運動位置精度和對中性,是影響樣品容器轉移的關鍵——對接精度要求達到毫米級。
為了解決這一難題,中國航天科技集團八院研製團隊創造性地研製出了抱爪式對接機構,配合採用棘爪式轉移機構,在自動無人交會對接的同時實現樣品容器的自動轉移,這一技術是世界首創,成就了嫦娥五號月球之旅中極為重要的一環。
對接和樣品轉移完成後,軌道器+返回器組合體將「拋下」上升器,踏上回家旅程。
回 家
第二宇宙速度重返地球
嫦娥五號軌道器+返回器組合體帶著月球採樣產品,將在距離地球5000公裡高度處實現軌道器和返回器的分離,此時軌道器也完成了它的使命。
之後返回器將獨自返回地球。它要經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段,最後降落在預定地點。
嫦娥五號返回器回家時,速度將接近第二宇宙速度,而此前的載人飛船及返回式衛星運行在低地球軌道,返回時的速度最大不超過8km/s,只是第一宇宙速度。
速度大,也就在氣動力、氣動熱、結構及控制等方面帶來了新的要求和挑戰——必須採取新的返回措施,使返回器在再入大氣層時儘可能將速度降下來。
2014年的嫦娥五號T1試驗器驗證了高速再入返回飛行的可行性。其採用跳躍式返回,原理與「打水漂」相似,即返回器先高速進入大氣層初次減速,再藉助大氣層提供的升力彈跳出大氣層,然後以第一宇宙速度再次扎入大氣層,返回地面。經驗證,這種返回方式可以起到比較理想的減速作用,使結構和防熱系統的壓力得到緩解,同時也使航程和落點達到預想結果。本次嫦娥五號返回器也將採用這一經過驗證的方式返回地球。