嫦娥攬月|難點多,風險大,嫦娥五號有多複雜?

2020-12-03 澎湃新聞

嫦娥五號探測器是迄今為止我國研製的最為複雜的太空飛行器系統，飛行程序非常複雜，技術性能要求嚴格，研製工作事關我國探月三期工程的成敗。

11月24日，萬眾矚目的嫦娥五號一飛沖天，進入預定軌道，發射取得圓滿成功。

發射成功後，嫦娥五號將經過11個階段，20餘天的在軌飛行過程，採集約2千克月球樣品返回地球。

本文圖片中國航天科技集團有限公司五院嫦娥「五姑娘」有何不同？嫦娥五號任務是我國探月工程「繞、落、回」三步走的收官之戰,將實現我國首次月球無人採樣返回任務。

時間回到2011年1月，國務院正式批覆立項，嫦娥五號探測器啟動研製工作。在2012年12月，完成探測器系統方案階段研製總結評審，轉入初樣研製階段；2015年12月，探測器研製迎來一個重要節點，探測器系統初樣研製總結和正樣設計評審完成，轉入正樣研製階段。今年7月，嫦娥五號空運抵達發射場，此後開展了將近5個月的發射場工作。

從2007年起，我國先後成功發射了嫦娥一號、二號、三號、四號探測器，那麼與這四個「姐姐」相比，嫦娥「五姑娘」有什麼不同呢。

首先，外觀造型就不一樣。中國航天科技集團有限公司專家介紹說，作為我國探月三期工程採樣返回任務的核心，嫦娥五號探測器是迄今為止我國研製的最為複雜的太空飛行器系統，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個器，包含15個分系統。這四器每一個都是單獨的個體，此外它們還能組合在一起，比如著陸器和上升器「抱」在一起，就組合成了「著上組合體」，而軌道器和返回器組合而成的叫「軌返組合體」， 此外，四器「串」在一起，就構成了一個完整的探測器。而嫦娥 「大姐」和「二姐」分別是一顆單獨的衛星，「三姐」和「四姐」是由著陸器和月球車「兩器」組成。所以說，嫦娥「五姑娘」是家族裡結構最複雜的探測器。

其次是任務目標不同。嫦娥五號任務的目的是實現月面自動採樣返回，開展月球樣品地面分析研究。任務期間，嫦娥五號探測器將重點實現三大工程目標：一是要突破一系列關鍵技術，提升我國航天技術水平；二是要實現首次地外天體自動採樣返回，推進我國科學技術重大跨越；三是要完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。除了「挖土」回地球，嫦娥五號探測器還將開展一系列科學探測，如著陸區的現場調查和分析，著陸點區域形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯繫。此外，還要對月球樣品的分析與研究，深化月球成因和演化歷史的研究等。

最後是最終歸宿不同。2007年發射的嫦娥一號完成任務後最終受控撞月；嫦娥二號在完成探月任務後，脫離月球軌道向更遠更深的太空飛行，實現我國對小行星（圖塔蒂斯小行星）的飛躍探測，嫦娥「二姑娘」成為我國第一個行星際探測器。2013年和2019年分別發射成功的嫦娥三號和嫦娥四號都是執行落月探測任務，最終的歸宿是留在月球。承擔「繞、落、回」第三步的嫦娥五號則將帶著月球的「特產」——月壤返回地球。

諸多難點給研製團隊帶來巨大挑戰在整個任務過程中，嫦娥五號探測器需要經歷著陸器落月、月表採樣，月球起飛，軌道對接，樣品轉移，返回器返回等多個環節，飛行程序非常複雜，技術性能要求嚴格，研製工作事關我國探月三期工程的成敗，諸多難點、風險點，給抓總研製探測器的中國航天科技集團五院的研製團隊帶來巨大挑戰。

相較於神舟飛船和嫦娥三號均只有兩個部分需要分離，即兩個分離面，嫦娥五號探測器由於一次發射要完成採樣與返回任務，因此，技術要求上決定了該探測器有更多的分離面。五院專家介紹說，嫦娥五號具有軌道器和著陸器組合體、著陸器和上升器組合體、軌道器和返回器組合體、軌道器和支撐艙以及軌道器與對接支架5個分離面，這些分離面均有「一次性工作」的特點，任何一次分離出問題，都將給任務的實施帶來災難性的後果。

順利落月後，嫦娥五號在月球上「挖土」也是一個非常精細的活。無人採樣器通過採樣鑽頭深入月球內部和採樣機械臂月球表面採樣兩種方法獲取月球樣品，獲取後需要轉移到上升器裡，上升器與軌道器對接後，又要將上升器裡面的樣品通過軌道器轉移到返回器裡面，整個環節必須分毫不差，絲絲相扣，任何環節控制不精細，都將影響任務的完成。整個月面採樣返回過程涉及到月表樣品轉移、月面垂直上升、月球軌道交會對接等關鍵技術。雖然我國已掌握空間交會對接技術，但以往神舟飛船與天宮一號交會對接是在距地球400公裡左右的地球軌道上進行的，而嫦娥五號任務將在距地球38萬公裡的月球軌道上，完成上升器與軌道器的交會對接，無法藉助導航衛星的幫助，這就需要突破月球軌道測控精度、月球軌道敏感器交互，輕小型太空飛行器對接等技術。

此外，嫦娥五號探測器實施月表採樣返回任務後，著陸器將留在月球表面，上升器留在月球軌道，軌道器留在地球軌道，最終，返回器攜帶樣品返回地球表面，如此複雜的技術環節，都是對研製團隊的全新挑戰。從立項到發射，嫦娥五號經歷了10年的艱辛奮戰。五院專家指出，圍繞上述關鍵核心技術和諸多難點、風險點，航天科技集團五院在充分研究繼承五院低軌道衛星、高軌道衛星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸器與返回等現有太空飛行器研製技術精華的基礎上，聯合參研單位集中最強陣容攻克難關，先後突破了月表採樣任務所涉及到的20餘項關鍵技術和總體設計優化技術、地面試驗驗證技術。

通過團隊的努力和付出，實現了方案設計步步優化，減輕重量克克計較，多種手段摸清規律，數十項試驗驗證全方位考核性能，從而，確保了嫦娥五號探測器方案設計合理，各項功能性能滿足任務的要求，研製過程技術狀態和質量受控。

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  • 為什麼說嫦娥五號是至今為止我國最複雜的航天任務？
    值得一提的是，此次任務將是迄今為止，我國最複雜的航天任務。今天我們就來拆解一下這項最複雜任務，看看嫦娥五號將如何採樣、如何將寶貴的月壤送回地球。月球的珍貴土壤，將怎樣被帶回地球的？，「嫦娥五號」的結構複雜得多，足足有4個主要部件——上升器、著陸器、再入器和軌道器，而「嫦娥一號」與「嫦娥二號」僅僅是一個軌道器，「嫦娥三號」與「嫦娥四號」也只有一個著陸器與一個巡視器。
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    長徵五號遙五運載火箭垂直轉運作為我國運載火箭升級換代的重要工程，「胖五」突破了12大項、200多個核心關鍵技術，創新難點多、技術跨度大、複雜程度高，填補了我國大推力無毒無汙染液體火箭發動機的空白。從原理上講，採用多大運載能力的火箭發射探測器取決於兩個因素：一是看探測器有多重，二是看探測器要飛往哪裡。我們來具體看一下嫦娥五號的情況：本次嫦娥五號探測器整體重約8.2噸，目的地是38萬公裡之外的月球，我國目前運載能力最強的長徵五號火箭剛好能夠滿足要求，因此必須用長徵五號火箭發射。
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    >飛行程序非常複雜，技術性能要求嚴格，研製工作事關我國探月三期工程的成敗，諸多難點、風險點為研製團隊帶來巨大的挑戰。由於運載火箭的運載能力對嫦娥五號探測器的重量有嚴格的約束，處於控制重量的需要，必須對探測器所有分系統進行「瘦身」，同時，又要減少備份產品，這就要求在無備份的情況下高度可靠的工作，研製隊伍面臨著最大限度的減輕重量，又要確保質量可靠性的雙重壓力；還有，如何對上述難點所涉及的關鍵技術進行試驗驗證，也需要一系列的技術創新和探索。
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