嫦娥五號哪天能到家,還需經歷多少關卡,以什麼姿態返回?

2020-12-06 時空通訊

嫦娥5號返回地球共需要多少天?

嫦娥五號整體任務需要約23天,高速通道行程只要4天。

我們來看一下嫦娥五號迄今為止的行程:北京時間11月24日4點30分,嫦娥五號搭載長徵五號遙五火箭從中國文昌航天發射場順利升空,龐大的遙五把嫦娥五號護送進入軌道就完成任務了。當日22點06分,嫦娥五號完成了第一次軌道修正,就是對準了去月球的那條高速路。

11月25日22點06分,嫦娥五號進行了第二次軌道修正;11月28日20點58分,嫦娥五號就到達了月球,下了高速路,進入環月軌道。我們來算一下,從發射到下高速進入環月軌道,一共花了4天14小時28分鐘。這就是它從月球回來也差不多需要4天的依據。

現在嫦娥五號已經完成了月球採樣任務,回到環月軌道的上升器帶著樣品,正在尋找與在軌等待的軌道器對接機會,對接成功後,會將月球採集並密封好的樣品罐轉移到返回器裡,然後軌道器就帶著返回器回家了。從嫦娥五號發射,到今天12月5日已經12天了,根據探月任務相關負責人介紹,這次任務整個時間需要約23天,這樣就還有11天才能夠回到地球。

嫦娥五號的減負過程。

嫦娥五號一發射,就和所有的航天任務一樣,開始了不斷的減負過程。首先起飛重量達到870噸的長徵五號遙五運載火箭,將嫦娥五號送入地月轉移軌道後,除留下8.2噸的嫦娥五號,其餘部分都拋棄或消失了,其中絕大多數是燃料。

嫦娥五號由軌道器、返回艙、登月器三大部分組成,而登月器又分為著陸器和上升器兩個部分。嫦娥五號到達月球軌道後,登月器就與軌道器分離,下到月球,經過19個多小時的月球採樣,返回的就只有上升器了。所以現在的嫦娥五號已經瘦身只剩下軌道器、返回器、上升器了。不久上升器也將拋棄,包括已經消耗的燃料,估計8.2噸也就差不多不到一半重量了。

在整個過程中,只有採集2公斤左右月樣是增重,其餘時間都是減重。而最後回到地球的只有返回器,這個返回器有關方面沒有公布重量,我想大概也就幾百公斤吧,這幾百公斤回到地球後,可起到一些收集數據作用,最重要部分就是它保護的那2公斤「月球寶貝」。

接下來幾天還有幾個關鍵環節。

這次嫦娥五號無人探測器拜訪月球,我曾經用「步步驚心」來形容,因為整個過程難度要求很高,許多是中國首次。最難的關鍵環節有哪些呢?從發射開始,到進入地月轉移軌道,到達環月軌道,再到月球軟著陸,這些都很難,但這些都是過去做過的,有一定經驗,這裡就不展開說了。

從月球採樣開始,嫦娥五號的一系列活動,都是中國首次經歷的航天活動了。這些活動包括的環節有:

在月球採用表取和鑽取兩種方式採集月樣,並自動裝罐密封、上升器與著陸器脫鉤分離、上升器點火飛離回到200km高度環月軌道、上升器與軌道器交會對接、上升器將月樣密封罐轉移到返回器,返回器封口、軌道器與上升器脫鉤分離,拋棄上升器、軌道器載著返回器提速脫離環月軌道,進入月地轉移高速通道、返回器到達地球釋放返回器、返回器採用半彈道彈跳方式減速,重入大氣層。

這些環節任何一個環節出錯,嫦娥五號任務就可能以失敗告終,因此我說步步驚心是一點也不誇張的。現在嫦娥五號任務頂多算完成了一半,因此地面管控人員依然每天都處於高度緊張狀態,提著一顆心,我們吃瓜群眾不會體驗到這些,只是在電視上看熱鬧,但我們可以默默為加油助威。

未來幾天最關鍵的幾步。

嫦娥五號現在已經完成了月球採樣任務,上升器已經回到200公裡環月軌道,軌道器和上升器正在渺渺太空相互找尋確認,並尋找時機交互對接,這是目前最關鍵的一步,只有對接成功,才能夠將月球樣品轉移到返回器中。

由於距離達到38萬公裡,地控人員無法利用衛星對其進行幹預,它們的交互對接就只能依靠自己自控了,這是檢驗中國人工智慧自動化能力的時刻,稍有差池,就無法對接或者碰撞損毀。

隨後脫離幻月軌道進入地月轉移高速通道,我想已經有去時的操控,應該是沒有問題的。最關鍵的部分是軌道器這次回來不會實行近地制動,也就是不進入下高速輔道減速到家,而是直接拋出返回器,以11.2km/s的第二宇宙速度撞入大氣層!專家的解釋這叫半彈道式彈跳進入。

為啥去回採用不同的制動方式?

嫦娥五號去時是實行了近月制動的,就是快到月球時,採用發動機反向噴射原理減速,這樣月球引力才能捕獲嫦娥五號,使其進入環月軌道。如果返回地球也用這種方式,是最安全保險的。但這樣,在發射時就要攜帶更多的燃料,而且還要帶回來用於近地制動使用。這樣,嫦娥五號自重就不止8.2噸了,加上驅動更重重量所需燃料,發射費用就會成倍增加。

而採用半彈道彈跳式減速,會省去很多燃料,但風險會大大增加。這種方法實際上有點像「打水漂」,就是將小石子或瓦片用力斜著拋向水面,由於速度快,石子瓦片會在水上漂幾下,速度慢了才沉入水中。

嫦娥五號採用這種回收方式,就是當軌道器載著返回器以第二宇宙速度回到地球時,不採取制動減速措施,而是拋出返回器,任由返回器以這個速度衝向大氣層,在大氣層巨大阻力下,讓返回器減速並彈跳飄起來,到達一定高度後,由於地球引力作用,返回器會以自由落體方式重回大氣層,這時返回器速度已經降到第一宇宙速度以下,有關專家計算約7.5km/s。

這裡特別說明一下,在月球是不能採用這種制動方式的,因為月球沒有大氣,撞向它就嗚呼哀哉了。

祝願嫦娥五號返回器以漂亮的「空中芭蕾」舞姿回到懷抱。

這種方式最關鍵的控制就是,在返回器還沒到達地球時,必須精準的控制進入地球大氣層的角度,如果角度過大,返回器就飄不起來,會像「打水漂」石子角度過大就會直接衝入水底。由於返回器速度過快,就會在大氣層燒毀或地表墜毀;而如果角度過小,這個「水漂」彈起來就飄向遠方了,一去不復返,回不了地球了。

一旦「打水漂」方式成功,再入大氣層的速度和以往載人或無人返回裝置回收差不多了,地控人員就有經驗和把握了,那2公斤寶貝就穩穩到手了。

嫦娥五號到底哪一天能夠回到地球,什麼時候開始「打水漂」,有關機構還沒有發布準確的消息。這期間,首先要完成上升器與載有返回器的軌道器對接成功,然後轉移樣品,還要尋找月地轉移窗口和時機,正常情況下,在12月16日左右就能夠回到地球。

我們只能靜靜的關注和等待。我也曾把嫦娥五號的「打水漂」形容為「太空芭蕾」,我相信中國航天人經歷無數次的實驗和計算,返回艙一定會成功跳一個「空中芭蕾」,以優美的舞姿回到人類懷抱。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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