五問「嫦五」,怎樣去月球挖把土?

2020-11-24 中國網

11月24日,中國嫦娥五號探測器從海南文昌發射場升空,奔赴探月之旅。這一次,嫦娥將首次回家,帶回從月球上取回的2千克月壤。

嫦娥五號任務是中國探月工程第六次任務,也是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一。自1976年蘇聯「月球24號」任務以後,全球再也沒有探測器從月球帶回過樣品,嫦娥五號帶回的樣品,將幫助深化月球成因和演化歷史等科學研究。

一問:嫦娥五號去月球做什麼?

嫦娥五號將經過11個階段、20 餘天的任務過程,採集約2千克月球樣品,並返回地球。

作為我國探月工程「繞、落、回」三步走中的收官之戰,中國航天科技集團有限公司研製的嫦娥五號,有望實現我國航天史上的四個「首次」:首次月面自動採樣,首次月面起飛上升,首次實現月球軌道交會對接,首次帶月壤高速再入返回地球。

設計師為嫦娥五號設計了兩種「挖土」模式: 鑽取和表取,嫦娥五號著陸後將開展為期2天的月面工作,採取深鑽、淺鑽、「鏟土」、「挖土」、「夾土」等各種方式,採集約2千克月壤並進行密封封裝。嫦娥五號隨身攜帶了鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等科技「神器」。

此外,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等。

二問:誰送嫦娥五號去月球?

此次運送嫦娥五號去月球的「班車」,與今年7月運送天問一號去火星的是同一輛——長徵五號運載火箭。這也是長徵五號第二次應用性任務。

此次探月任務要實現月球採樣返回,探測器總重8.2盹,在我國現有運載火箭中,只有長徵五號可以將其送入地月轉移軌道。深空探測有效載荷重量都比較大,比如天問一號探測器是5噸,也只有長徵五號具備將5噸有效載荷送入地火轉移軌道的能力。

地月轉移軌道是一個大橢圓的軌道,近地點200公裡,遠地點41萬公裡。長徵五號將嫦娥五號直接送入地月轉移軌道,不需探測器自身加速。探測器與火箭分離以後,沿著大橢圓軌道飛行,可以到達近月點附近,在近月點附近減速後,進入環繞月球的軌道。

「十四五」期間,長徵五號系列火箭將執行我國載人空間站建設,計劃在未來 2-3 年內,用長徵五號B火箭完成載人空間站的主體建設。長徵五號火箭還將在深空探測、星際探測中 扮演重要角色,不論是行星探測還是小行星探測,長徵五號強大的運載能力都是實現目標的重要支撐,不僅可以讓探測器攜帶更多科學探測設備,還可以在軌道設計上擁有更多選擇。

三問:在月球怎麼「挖土」?

作為此次任務的核心關鍵之一,月球表面自動採樣和封裝是最引人注目的一個環節。

來自航天科技集團五院的設計師們採用表鑽結合、多點採樣的方式,設計了兩種「挖土」模式: 鑽取和表取。當著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面,嫦娥五號開始為期2天的月面工作。隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等設備,將科學分工、精密配合,採取深鑽、淺鑽、「鏟土」、「挖土」、「夾土」等各種方式,採集約 2千克月壤並進行密封封裝,然後帶回地球。

此次嫦娥五號的可以鑽進月表2米深的地方,採集月壤樣品。所採用的鑽頭,可謂百裡挑一,研製人員對比了16種設計方案,最終確定雙排鑽牙階梯構型,具備對8級硬度巖石的鑽進能力,針對不同顆粒度月壤具有切削、撥、擠、排的能力。

四問:挖了土怎麼回來?

嫦娥五號不是整個降落在月球上,到了月球軌道以後,嫦娥五號的四個器就分成了兩部分,著陸器和上升器組合體降落,軌道器和返回器組合體環繞月球飛行。等採樣完成後,上升器點火起飛,與軌道器和返回器組合體對接,把樣品轉移到返回器內。軌道器與返回器一起飛回地球,最終在地球上空再次解體,返回器帶著樣品獨自回歸。

所有操作幾乎都是首次嘗試,頗具科幻感的一幕,是上升器在月面點火起飛。這是我國太空飛行器首次在另一個星球起飛。

在地球上發射運載火箭,需要一套完備的發射塔架系統,點火起飛位置經過精確測算,飛行軌道也是一遍遍計算好的。月面起飛就不一樣了,沒有發射塔架,著陸器就相當於上升器的塔架。而月球表面環境複雜,著陸器不一定是四平八穩的狀態,很有可能落在斜坡或者凹凸不平的月表,這給起飛帶來了很大的難度。

此外,還要克服地月環境差異、發動機羽流導流空間受限等難題。月面起飛的時候,無法像運載火箭在地面發射前由地面人員完成測調和確認,必須依靠太空飛行器「自力更生」,實現起飛時自主定位定姿。為了確保上升器能夠順利起飛上升,航天科技集團五院嫦娥研製團隊進行了大量的試驗驗證,為嫦娥五號邁上回家第一步保駕護航。

五問:與前四位「嫦娥」有何不同?

首先是承擔使命不同。嫦娥五號要完成探月工程「繞、落、回」的最後一步,將推動我國深空探測領域的科技進步,促進我國空間科學、空間技術跨越發展。 任務目標也不同 ,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,要突破一系列關鍵技術,提升我國航天技術水平,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。另外,還要為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。

幾個嫦娥探測器的歸宿也不同。嫦娥一號在環繞月球探測以後,按預定計劃受控撞月,殞命月表。嫦娥二號完成月球探測任務後,與圖塔蒂斯小行星擦肩而過,實現我國對小行星的飛躍探測,之後飛向更遠深空,成為我國第一個行星際探測器。嫦娥三號和四號將永久留在月球正面和背面。而嫦娥五號分離成了四部分,分別留在月表、月球軌道、地月之間和返回地球。

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