從嫦娥一號到五號,中國航天再上新高度
2020-12-02 電子發燒友從嫦娥一號到五號,中國航天再上新高度
太空精釀 發表於 2020-11-25 14:53:15
據國家航天局消息，2020年11月24日04時30分，中國文昌航天發射場，長徵五號運載火箭將我國嫦娥五號探測器成功送入奔向月球的旅程！
從嫦娥一號到五號，中國航天再上新高度
月球是地球最近的鄰居，也是唯一的天然衛星，是出現在各個人類文明中的重要元素，也是幾千年來中國神話傳說和文人騷客們魂牽夢繞的所在。
經過幾十年的發展，中國航天在新世紀進入新階段，把深空探測列入重點發展方向之一。對月球的探測也成為焦點，這便是著名的嫦娥探月工程。它正式始於2004年，採用「繞、落、回」三步走發展戰略全方位研究月球，目前已經取得了數次任務的巨大成功。
2007年10月24日，嫦娥一號掀開了嫦娥探月工程的大幕，全方位研究了月球的總體情況。
2010年10月1日，嫦娥二號發射，進一步挑戰全新技術，結束月球探測任務後，飛過距離地球150萬千米的日地拉格朗日二點，隨後，飛掠圖塔蒂斯小行星。
2013年12月14日，嫦娥三號和玉兔一號成功軟著陸月球，成為37年內再次訪問月球的人類使者，嫦娥三號至今仍保有一定工作能力，工作時長創下了人類月球探測的新紀錄。
2014年11月1日，嫦娥五號T1試驗器出發，驗證嫦娥五號採樣返回任務的技術儲備。
2018年5月21日，鵲橋號出發，成為人類唯一地球/月球背後通信中繼衛星；2019年1月3日，嫦娥四號和玉兔二號成功著陸月球背面南極-艾特肯盆地，實現人類探測器首次在月球背面軟著陸。
而嫦娥五號是嫦娥探月工程中「回」（採樣返回）這一步的核心任務，在任務執行期間，它將連續實現一系列極限挑戰，都是中國航天前所未有的新高度，標誌著嫦娥探月工程的歷史性突破。這次任務更是人類在時隔44年後再次嘗試獲取月球土壤樣本，對中國探月、乃至整個人類探月有著劃時代的重要意義。
探測器重8.2噸，人類史上最複雜無人探月任務有多難？
嫦娥五號探測器組合體總重達8.2噸，是人類無人探月史上最複雜、最重的探測器。
這樣的重量意味著，把它發射到38萬千米外的月球並非易事，這項重任交給了中國航天目前最為強大的長徵五號系列運載火箭。目前，長徵五號已有基本型和長徵五號B兩個型號：前者採用兩級半構型，已發射4次、專注於高軌大型任務，例如天問一號和實踐二十號等著名載荷；後者採用一級半構型，已發射1次、專注於近地重型任務，例如我國新一代載人飛船試驗船。
嫦娥五號的重量已非常接近長徵五號火箭基本型對理論地月轉移軌道極限運力，也將通過這次「長五遙五送嫦五」的任務全面證明「胖五」的強大實力。
嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器和上升器四大部分組成。
其中，軌道器主要負責往返月球期間的動力、能量、通信和交會對接需求等；著陸器負責攜帶上升器順利降落月球，完成月面打鑽採樣、機械臂抓取採樣和相關科研任務；上升器負責攜帶收集的月壤樣本，離開月球表面，與軌道器再次對接，將月壤轉移至返回器中；返回器負責保管月壤採樣樣本，重返地球大氣並被安全回收。
嫦娥五號探測器要實現組合體制動繞月、軟著陸月球、兩種方式採集月壤樣本、月球上空交會對接、返回地球並著陸等一系列高難度操作，它的軌道器、著陸器和上升器都需要攜帶獨立卻各自功能不同的複雜推進系統，是人類無人探測月球的難度之最。整體難度可以說是大幅超過1976年的蘇聯月球24號任務，那是人類最近一次月球採樣返回。
在搭乘長徵五號火箭離開地球後，嫦娥五號的軌道器負責主要推進工作，它需要完成軌道保持和數次修正，瞄準月球。靠近月球後，制動工作，進入環月軌道。
隨後，著陸器攜帶上升器擇機分離並著陸月球。為最大限度獲得高質量月壤樣本，著陸器會通過打鑽和機械臂抓取兩種方式採集約2千克月壤並封存。
上升器依託著陸器為發射平臺，脫離月球引力後，還需要與軌道器在距離地球38萬千米外的月球附近完成高難度的自動交會對接。
隨後，上升器需要把所有樣本轉移到返回器中。軌道器與上升器分離，僅攜帶返回器飛回地球。
最後，軌道器再與返回器分離，僅返回器著陸地球。
嫦娥五號要面對的技術突破眾多，且難度極高，我們這裡不詳細展開，只看返回器返回地球這最後一步，大家就知道我所言非虛。
返回器經由軌道器送到地球附近時，速度會逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個速度實在太快了，要知道，普通返回式衛星返回地球時基本都是第一宇宙速度（7.9千米/秒）級別。如果以接近11.2千米/秒的速度直接衝進大氣層，巨大的摩擦和衝擊可能會讓返回器焚毀。因此，返回器將採取在大氣層邊緣多次「打水漂」的滑躍式返回方式，進行多次減速。其中每一次與大氣的接觸都需要經過精準計算，最終讓返回器以安全速度衝入大氣，通過氣動減速和降落傘減速等方式，準確安全地降落在預定著陸場。
最後一小步的難度尚且如此，整個嫦娥五號任務的難度可想而知！
我們甚至可以將嫦娥五號與阿波羅登月飛船進行對比，二者都包括四大組成模塊、都要實現近乎完全相同的技術步驟，最大的區別就在於載人探測和無人探測，這也從另一個角度說明嫦娥五號的難度已然遠超其他無人探月任務。阿波羅登月的背後，有徘徊者、勘測者、月球軌道計劃三個無人月球探測項目做鋪墊，前後發射了21個任務。而我國的嫦娥探月工程在嫦娥五號時，就實現了最大的技術難度跨越，效率和執行力都非常值得肯定。
嫦娥五號已經出發，六、七、八號還會遠嗎？
在通過嫦娥一號到五號任務完成探月工程「繞、落、回」三步之餘，我國探月的腳步仍未停止，探月四期任務已經在規劃中。嫦娥六號計劃在月球南極進行採樣返回，嫦娥七號計劃開展對月球地形地貌、物質成份、空間環境的綜合探測，嫦娥八號將集中於科學探測試驗和關鍵技術的進一步突破。
根據中國航天局發布的消息，為了與國際上的其他月球探測任務相結合，我國計劃在下一個十年建立小型國際月球科研站，邀請歐洲航天局和俄羅斯宇航局參與。這個科研站的目標是支持長時段、較大規模的科學探測、技術試驗與月球資源開發利用。2030～2035年間，還會對其進行擴展，滿足短期有人值守、長期自動運行的需求。最終，於2036年至2045年間，建成綜合型的月球基地，實現人類長期駐留，並完成全面、大規模的科學探測、技術試驗與月球資源開發利用。由於月球條件惡劣、資源貧瘠，全封閉的基地完全實現自給自足會比較困難，保持定期的地月往返航班將是維持基地運轉的重要保障。
寫在最後
最後，想藉機談一點自己的親身經歷。
大約十幾年前，筆者有幸聆聽了我國月球探測工程首席科學家、「嫦娥之父」歐陽自遠院士的一場科普講座，他是我國研究天體化學與地球化學領域的巨擘，也領導了我國對月壤的研究。他在講座中提到，中國僅有1克月壤，是美國總統在中美恢復建交後贈送。這1克實在太過珍貴，他們只敢拿出0.5克絞盡腦汁做各種科研，不讓中國人在這個領域落伍。而另外0.5克，則存放在北京天文館中，它應該屬於全體中國人，讓所有中國人有親眼目睹月壤的機會。
此後，又幸運地在北京天文館做過科普講解志願者，向觀眾們多次詳細介紹了那隔著放大鏡、認真密封起來的0.5克月壤樣本。當時我的解說詞都會以這句話結束：「中國嫦娥探月工程的第三步，就是獲得中國自己的月壤樣本，請大家繼續支持中國航天，我們期待嫦娥成功的那一天」。
如今，我們終於要做到了。
責任編輯:tzh
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