奔月成功,準備「挖土」,還發來一張照片……
2020-12-05 騰訊網
北京時間12月1日23時11分，探月工程嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區，並傳回著陸影像圖。
成功著陸後，著陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，將正式開始持續約2天的月面工作，預計將採集2千克左右的月球樣品。
這看似輕鬆的一幕，實際上卻歷盡艱辛，嫦娥五號探測器要像跳傘運動員一樣在深空完成一系列高難度動作：主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段……這背後離不開高科技的保駕護航。
計劃帶回2千克月球樣本
與當初蘇聯的月球探索一樣，嫦娥五號也是利用無人探測器採樣，但採樣能力強大得多。蘇聯的3個無人探測器先後進行3次月球採樣，帶回月球樣本約330克，而嫦娥五號一次就計劃帶回2千克月球樣本。
之所以出現這麼大的差別，一個很重要的原因是嫦娥五號將採用月球軌道無人交會對接技術。
50年前，蘇聯的探測器採樣完成後，是從月面直接返回地球，由於返回艙及燃料負重巨大，被迫壓縮採樣重量。
而嫦娥五號在完成採樣後，將採用「月球軌道無人對接」方案轉移月球樣本，由於上升器無需搭載返回艙，所需燃料大大減少，因此採樣重量也呈幾何級提高。
《科學》雜誌對此評論稱，要想成功從月球取回樣本，需要嫦娥五號跳一場複雜的深空芭蕾舞。
12月1日拍攝的嫦娥五號探測器著陸畫面
GNC高精度關鍵技術
嫦娥五號任務的落月和近月制動一樣，都是只有一次機會，必須一次成功。
由於涉及採樣後上升器的月面起飛，所以，嫦娥五號落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程。相較於嫦娥三號、四號，嫦娥五號對於著陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要一個著陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務要求。
可以說，落月的過程就是邊飛行邊找尋落點，在15分鐘內完成，約600公裡外的全程自主跳傘。
為了實現「選址正確，落點準確」，嫦娥五號採用了已經在嫦娥三號和四號上應用的「粗精接力避障」的方式，即中國航天科技集團五院502所研製的制導導航與控制（GNC）系統，在該系統的指揮下，著陸器和上升器組合體先是大推力反向制動快速減速，然後快速調整姿態並對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現「粗避障」，然後組合體在飛到距離月面100米時懸停，並再次對選定區域進行精確拍照，實現「精避障」，之後再斜向下飄向選定的著陸點，在移動到著陸點正上方之後開始豎直下降，到距離月面較近時關閉發動機，然後利用著陸腿的緩衝實現軟著陸。
嫦娥五號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像
著陸緩衝機構顯身手
落月的關鍵在於平穩。嫦娥五號著陸上升組合體在落月時，撞擊月面會形成較大的衝擊載荷，必須設計相應的著陸緩衝系統，吸收著陸的衝擊載荷，保證探測器不翻倒、不陷落，這是落月的技術難題之一。著陸緩衝機構，通俗地說就是嫦娥五號的「腿」。
這四條緩衝、支撐一體化的「腿」可不一般，它們來自於機構分系統團隊精心設計、巧手研製，更來源於嫦娥三號、嫦娥四號的完美基因。著陸緩衝機構具有完全自主智慧財產權的「偏置收攏、自我壓緊」式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩衝、著陸穩定性等多方面的問題。
與嫦娥三號的著陸緩衝設計方案相比，由於任務難度增加，嫦娥五號任務的著陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。這為總體設計部的團隊成員帶來了不小的難題。面臨減重的難關，研製團隊反覆迭代，每次修改完設計，討論時一旦發現新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設計、繼續修改，最終成功滿足了設計指標，確保了嫦娥五號穩定可靠地完成與月球的親密擁抱。
嫦娥五號探測器軟著陸後降落相機拍攝的圖像
「中國航天史上最難的一項工程」
嫦娥五號也被稱為是中國航天史上最難的一項工程，難在哪裡呢？
對此，探月工程規劃制定者之一、國家航天局原局長，也是探月工程首任總指揮，今年已經80歲高齡的欒恩傑院士表示，「我們去首先一定要被月球能夠捕獲到，怎麼在月球的引力場把它收攏下去，所以一定要做剎車的減速工作，這個能力就不是我們過去嫦娥三號火箭的能力能完成的，因為我們這次去的送的嫦娥五號重8噸多。」
到達月球軌道之後，嫦娥五號在月球降落的位置是它全新的嘗試。
欒恩傑表示，「我們有些機制裝置在運行的時候，有可能想不到的東西被卡住。因為月面的狀況，我個人擔心的是我們並不很清晰，我們真正落月的地面狀況，周圍的環境是不是很平坦？是不是沒有其他的障礙。」
著陸器降落後，開始樣品採集，這又是一次全新的嘗試。
欒恩傑表示，「著陸以後我就開始取樣了，我們有個手去鏟，我們月球的鑽取機構，這是我們國家頭一次設計，我形容成哈爾濱香腸。就在鑽的時候，他要把鑽取的芯、巖芯的部分要裝到一個包裹，這個包裹是一個長的，所以像個香腸一樣，要把它緊密的包裹好，封裝好。」
模擬動畫視頻：嫦娥五號探月取土
欒恩傑表示，「因為這些土壤不能在轉移到地球的時候被地球汙染了，因為地球環境和月球環境是不一樣的，有些物質一定要在非常潔淨的環境下，保持住我們取得這樣這點東西。所以我們有落月器，把這些東西轉到我的上升器裡，樣品密封好，交給我們軌道器這樣一些機械裝置，都要在我的上升器內完成。」
完成採樣之後，嫦娥五號上升器要在月球進行起飛發射，在月球軌道與軌道器和返回器進行交會對接，將月球樣本轉移至返回器裡，然後返回地球。
欒恩傑表示，「能去月球的國家也不少，包括亞洲（的）日本、印度都去過，但是從月亮回來，這又是一個很大的臺階。我們國家就列入到了可以從月球取樣返回第三個國家。」
(來 源 | 光明網綜合自央視新聞等)
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