嫦娥五號月球挖土和隼鳥二號小行星採樣,哪個技術更強、難度大?

2020-12-23 八兩科學

中國「嫦娥五號」奔月挖土和日本「隼鳥2號」採樣返回,是2020年尾聲、世界上備受關注的重大航天任務。其中日本隼鳥2號已完成6年任務並且於12月6日凌晨降落在澳大利亞南部沙漠;而嫦娥五號也早已挖土成功,並按原計劃將2公斤月球土特產帶回地球。兩者都是地外星球採樣返回,那嫦娥五號和隼鳥2號在技術上相比,哪個更強(難度更高)一些呢?

我們先看參數:一個是距離地球2.9億公裡、直徑大小980(±29)米的阿波羅型小行星「龍宮(Ryugu)」,一個距離38.4萬公裡、直徑3476公裡的月球。雖然嫦娥五號和隼鳥2號的任務不同,但綜合方面還是能對比一下,其中的姿態控制技術和探測器上升返回技術更是難點。

ps:阿波羅型(Apollo)小行星指的是近地小行星中體積較小的小行星,不過其軌道通常呈橢圓,會與小行星帶、地球軌道相交,理論上可能會和地球相撞。但正因軌道相交,有些阿波羅型小行星距離地球非常近,所以更容易被探測。

火箭技術、探測器質量:

其實在過去很長一段時間裡,日本的火箭技術一直保持著亞洲領先地位,比如H-IIB(近地軌道運載能力為19噸)、H-IIA(近地軌道運載能力為15噸),其中發射「隼鳥2號」的火箭就是H-IIA。

不過「隼鳥2號」探測器的質量只有609千克,單獨用H-IIA發射有點浪費,所以當時H-IIA除了攜帶「隼鳥2號」,還帶有另外3顆衛星。

但在我國的長徵五號(2016年)出來後,近地軌道運載能力達到25噸,直接秒殺了日本H-IIA、H-IIB火箭。當然,我們的嫦娥五號也重達8.2噸。另外目前長徵九號研製進展順利,預計在2030年首飛。到時候,有望成為全世界運載能力最大的火箭。

「挖土」方式:

嫦娥五號採用了兩種挖土方式:一是機械臂表取,即通過機械臂上的「鏟子」工具直接在月面鏟起月球土特產;另一種則是鑽具鑽取,鑽取月面下數十釐米內的物質。這兩種方式是相結合的,最後將月壤保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

而隼鳥2號採樣的方式是在靠近小行星表面後,通過發射重量為5克的鉭質子彈擊中小行星表面,爆炸濺起的塵埃狀物質或碎片被隼鳥2號的取樣機械臂收集到樣本容器裡。接著換個地方,再來一次,總共3次。

相信這種方式採取到的小行星表面物質很少,樣本重量估計不及嫦娥五號。不過要說明的是,龍宮小行星全是石頭,根本鏟不動,只能「炮轟」了。

姿態控制與返回技術:

姿態控制技術是衡量一個國家航天領域整體實力的重要標誌。在2019年的4月和9月,以色列和印度曾發射過探測器,但最後都因探測器的姿態控制問題而任務失敗。

隼鳥2號:

日本在這方面吸取過教訓,當時日本發射「隼鳥號(1號)」探測『絲川(Itokawa)』小行星時,兩次「觸碰」小行星都出現問題,要麼高度不正確,要麼收集裝置未能正常工作。其中最大的一次事故就是因為姿態失控失聯了近2個月。所以在「隼鳥2號」在隼鳥1號的基礎上增加了2個高增益天線、1個測星儀、1個著陸器(MASCOT)和3個巡視器等等。

除了這些硬體升級外,隼鳥2號升級了自動和自主控制系統。因此「隼鳥2號」在成功著陸龍宮小行星時,未出現姿態控制失誤。

但需要指出的是,龍宮小行星的質量和引力都比月球小太多,引力對姿態控制幹擾小。而小行星引力小,控制探測器減速需要比較精確。速度出現誤差就無法進入小行星軌道。一旦捕捉成功後,降落和起飛難度比較低。因為引力小,所以不需要消耗太多燃料。返回時,「隼鳥2號」憑藉推進器推力就可擺脫小行星的微弱引力。

我們的嫦娥五號:

月球的引力不是龍宮小行星能比的,降落和起飛都是大問題。嫦娥五號要實現軟著陸,需要在發動機制動和月球引力間尋求一個平衡,這一點的控制要求非常精準。同時必須有軌道器在天上,不然燃料無法滿足返回地球。

嫦娥五號完成月球挖土工作後,著陸器點火上升時,需要克服月面引力。同時由於月面起飛位置地勢問題以及沒有發射塔,需要嫦娥五號在起飛時自主定位、定姿。另外在進入環月軌道、脫離環月軌道以及上升著陸組合體降軌等過程時,要精準考慮測控需求、光照需求以及姿態控制要求,以確保月軌交會對接的順利完成。

最後返回器將2公斤月壤帶回地球時,採用了「太空打水漂」技術方案:先是高速進入大氣層,然後再次躍出大氣層,接著以第一宇宙速度扎入大氣層,最後降落在我國北部內蒙古的四子王旗。

總體而言,嫦娥五號的姿態控制和返回技術更複雜,難度更大,而隼鳥2號的最大難點在於超遠距離的信號傳輸和接受。由於龍宮小行星距離地球較遠,信號隨距離越遠而不斷衰減,同時經常面臨太陽阻擋。不可否認,隼鳥2號成功採樣的背後也少不了NASA深空網絡的支持,但日本隼鳥2號能飛3億公裡、堅持6年之久也是本事。

最後,

其實我國和日本在航天領域的可比性不大,因為我們和日本的航天發展方向不一樣。我們的航天是靠著體量優勢全面自主發展、一步一個腳印,技術非常紮實,猶如一棵粗壯而在緩慢長高的大樹。

而日本更像是趴在美國身上的爬山虎,難以獨立發展相關技術,所以日本在航天領域上『另闢蹊徑』,都是以成本不高、小而精、創新性強的深空探測任務為主。這也是日本整體實力不強,卻早早開展一系列深空探測任務的原因。

綜合一句話概括,單點突破全面開花不可同日而語。

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