2020 年 11 月 24 日凌晨 4 時 30 分,海南文昌航天發射場,嫦娥五號由長徵五號遙五火箭運載升空並成功發射,將運送嫦娥五號探測器至地月轉移軌道,開啟我國首次地外天體採樣返回之旅。
據了解,本次航天任務包括 11 個重大飛行階段,23 次重大軌道控制,6 次重大分離控制等複雜環節,另有太空飛行器月面降落、月面起飛以及月球軌道上 「無人交會對接」 等環節。整個採樣返回過程需要持續長達 23 天,發射起飛只是萬裡長徵第一步。
此外,嫦娥五號本次月球之旅肩負著重要使命 —— 從月球採集樣本並順利返回。如果嫦娥五號任務成功,中國將成為繼美國、蘇聯之後,第三個從月球運送樣本返回地球的國家。
據悉,嫦娥五號探測器由四部分組成,從上到下依次是上升器、著陸器、返回器和軌道器。中國航天科技集團五院、嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢對媒體介紹稱,這四個器的功能從名字上大致就能理解:上升器主要攜帶樣品從月球表面起飛;著陸器要在月球表面著陸;返回器的功能是攜帶月球的樣品返回地球;軌道器主要承擔各個不同的軌道上飛行的功能。
圖|嫦娥五號結構圖(來源:百度百科)
與嫦娥家族的其他成員相比,嫦娥五號探測器總重量 8200 公斤,是我國目前發射的最重的探測器。相比於嫦娥一號到嫦娥四號的月球探測器,嫦娥五號探測器的結構複雜得多。嫦娥一號與嫦娥二號分別是一顆單獨的衛星,嫦娥三號與嫦娥四號也只有一個著陸器與一個巡視器。
此次嫦娥五號任務,創造數個 「中國首次」:一是地外天體的採樣與封裝,二是地外天體的起飛,三是月球軌道交會對接,四是攜帶樣品高速地球再入,五是樣品的儲存、分析和研究。
以月面起飛為例,不同於地球表面的點火發射,有完備的發射塔架系統和精確測算的起飛位置、飛行軌道,月面點火升空沒有一馬平川的起飛地,更沒有成熟完備的發射塔架,都要依靠太空飛行器 「自力更生」,實現起飛時自主定位、定姿。
本次出徵,由長徵五號遙五運載火箭運送嫦娥五號探測器,據悉這也是長徵五號的第二次應用性發射任務。長徵五號,總長 56.97 米,起飛質量 867 噸。當前,在長徵火箭成員中,只有長徵五號的運載能力可將 8 噸的載荷直接送入地月轉移軌道。
據了解,長徵五號遙五火箭可把嫦娥五號探測器直接送入近地點高度約 200 公裡,遠地點高度約 41 萬公裡的地月轉移軌道。
另據悉,地月轉移軌道是一個大橢圓軌道,探測器與火箭分離後,會進入這一軌道後,進入後無需自身加速,只要沿著地月轉移軌道飛行,就可到達近月點附近。
42 年前,1978 年 5 月 20 日,為打開中美建交的大門,時任美國國家安全事務助理的布熱津斯基到訪中國,帶來了一份特殊的禮物:1 克重的月球巖石標本。
這枚標本被一分為二,0.5 克送到北京天文館展覽,剩下 0.5 克交給相關科研院所分析。時年 43 歲的天體化學家歐陽自遠主持月巖研究工作,依靠這枚小小的樣本,中國科學家發表了 14 篇相關論文。
然而,始終有一個疙瘩在歐陽自遠心中揮之不去。這位日後的 「嫦娥之父」、中國探月工程首席科學家很清楚:分析能力再強,用的也是人家提供的石頭。什麼時候中國人能自己登上月球,採集月巖標本?
從首次接觸月巖 42 年後,也是啟動中國探月工程(2003 年)17 年後,中國航天終於迎來了高光時刻:靠自己從月球取回月巖樣本。本次嫦娥五號將帶回 2 千克月球樣本以供研究。
中國探月工程由 「探」、「登」、「駐」 三步驟構成,簡稱 「大三步」。其分別指無人探月、載人登月、長久駐月。
圖|無人探月三步走計劃
無人探月這一步,又分成了 「三小步」:「繞」、「落」、「回」。嫦娥五號要在月球表面著陸、採樣、返回,承擔的是 「回」 這一步。作為中國探月工程載人登月之前的一小步,同時也是無人探月的最後一步,嫦娥五號有望實現中國開展航天活動以來的四個 「首次」。
首次在月球表面自動採樣;首次從月面起飛;首次在 38 萬公裡以外的月球軌道上進行無人交會對接;首次攜帶月壤以接近第二宇宙速度(11.2 公裡/秒)返回地球。
此前,中國已經成功發射並返回了嫦娥五號探路星。探路星發射,主要檢驗繞月高速返回地球等一系列工程技術問題,2014 年 11 月 1 日,嫦娥五號探路星返回器在內蒙古烏蘭察布著陸,以這次測試作為先導,為嫦娥五號成功發射奠定了基礎。
在嫦娥五號之前,只有美國的阿波羅太空人和蘇聯的 「月球 - 24」 計劃從月球上帶回了樣本。這一次,存在不同之處。首先,嫦娥五號將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,離美國阿波羅飛船的著陸點約 1000 公裡。此處從來沒有機器或者人類到訪的記錄,這裡的巖石和土壤有 12 億年的歷史,這比當年阿波羅飛行員採集的樣本要年輕的多,後者只有 3.1-44 億年之間。
圖|嫦娥五號在月球著陸點 (來源:Phil Stooke)
根據 Nature 雜誌在近期一篇名為 「中國將取回 40 年來的第一塊月球巖石」 的新聞中提到,「嫦娥五號」 取回的樣本有助於研究月球表面的火山活動。此前,科學家認為月球火山活動在 35 億年前達到頂峰,隨後減弱並停止,但後來又發現了最近 10 億到 20 億年火山活動的跡象。如果 「嫦娥五號」 返回的樣本能夠證明這一點,月球歷史會被改寫。
嫦娥五號由 4 部分組成,具體是這樣工作的。在月球軌道上,著陸器和上升器會下降到月球表面,軌道器和返回器保持在軌道中。著陸器將使用機械鏟和可鑽入地下2米的鑽頭收集樣本。
整個過程是這樣的:長徵五號遙五運載火箭將嫦娥五號送入月球軌道,嫦娥五號制動後進行環月飛行。在合適的時機下,著陸器與上升器和嫦娥五號分離,著陸在月球表面指定位置,然後採樣、包裝,由上升器攜帶進入環月軌道,和返回器與軌道器交會對接,重新合體完成。
之後便是軌道器點火,離開月球軌道,以第二宇宙速度進入大氣層,於內蒙古地區著陸。
整個過程看起來順暢,但是其中卻苦難重重。
第一重困難是如何在月球表面完成採樣並進行封裝。「封裝」 聽起來簡單,像是把一把土壤裝進袋子一樣,但是在月球環境下,完成封裝動作卻不容易。總的來說,封裝動作由兩部分構成,一是機械臂在月表採集完成後,送入上升器封裝;二是上升器上升到月球軌道後,將樣本移入返回器封裝。封裝的好壞,直接關係到嫦娥五號任務的成敗,返回器以宇宙第二速度進入大氣層,劇烈摩擦之下溫度急劇上升,封裝不完善,會導致樣本焚毀,功虧一簣。
第二重困難是月球軌道對接。上升器拿到月球樣本後,需要上升到月球軌道和軌道器、返回器對接,其難度之大,不亞於針尖和針尖的碰撞。相同的任務在地球軌道進行,有大量的人造衛星提供導航、測距和定位服務,但月球上類似支持太少,難度可想而知。
第三重困難是返回地球。地月距離遙遠,返回器駛向地球時,由於不斷加速,最終會以第二宇宙速度進入大氣層,很可能因摩擦溫度過高失敗。為了解決難題,這次嫦娥五號極有可能採取 「太空打水漂」 方式減速,二次進入大氣層。
所謂太空打水漂,就是在返回器進入大氣層後,通過飛行控制提升高度,在太空滑行一段時間再進入大氣層。這種降落模式官方稱之為 「半彈道跳躍式飛行」,通過在大氣層內 「一進一出」,消耗返回器的部分能量,減小著陸速度。
該技術在 2014 年 「嫦娥五號探路星」 計劃中已經測試驗證 —— 試驗器準確著陸在預定位置。
據中國國家航天局透露的消息,目前基本明確探月工程四期還有三次任務:「嫦娥六號」 計劃在月球南極進行採樣返回;「嫦娥七號」 將是在月球南極進行的一次針對月球的地形地貌、物質成份、空間環境的綜合探測任務;「嫦娥八號」 除了繼續進行科學探測試驗外,還要進行一些構建月球科研基地的前期探索。
需要明確的是,中國目前登月計劃尚在研究當中,還未到決策階段。早在 2016 年,中國提出了建設國際月球科研站的設想,並且在 2019 年與歐洲航天局、俄羅斯航天局達成初步共識,三方共同牽頭開展國際月球科研站的規劃論證工作。
然而要實現載人登月,至少要突破兩個關鍵技術。一是具備超大運載能力的火箭;二是登月飛船具備強大變軌能力。
根據中國航天科工集團二院研究員楊宇光介紹,發射嫦娥四號使用的長三乙火箭地球同步軌道運載能力是 5.5 噸,奔月軌道運載能力為 3.8 噸,這遠遠不夠。當年美國 「阿波羅」 計劃使用的土星 5 號運載火箭,近地軌道運載能力 118 噸,月球軌道運載能力 45 噸。此外,由於登月艙需要近月制動,變軌速度大約為 800-900 米 / 秒,飛船需要精確的變軌從環月軌道返回到月地轉移軌道。
登月並非易事,但努力值得。作為重要的中轉站,徵服並且在月球上建立永久基地,將是人類進軍深空的重要節點。