已創造和將實現5個“中國首次”!嫦娥五號,等你回來

2020-12-07 17:37:00來源:解放軍報

  回家:重返地球的科技之路

  解放軍報記者 張新

  特約記者 張未 宋星光

  離別10多天,嫦娥五號踏上了回家之旅!

  嫦娥“遊子”歸心似箭,祖國母親期許滿滿。38萬公里漫漫回家路,嫦娥五號每走一步,都讓國人無限牽掛。

  月光照亮了“嫦娥”回家的路,也照亮了中國探月夢想的天梯。

  國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹説,此次嫦娥五號探月返回任務,已創造和將實現5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,五是樣品的存儲、分析和研究。

  如果一切順利,嫦娥五號將把約2000克的月壤樣品“打包”帶回地球。

  不要小看這個數字,約2000克的目標決定了中國探月的分量,折射出一個國家航天實力的高度。

  “嫦娥”探月的背後,是一項項技術難點的集智突破、一項項創新成果的破殼而生。這些科技成果架起了通往月球的天梯,讓中國人走出了一條屬於自己的探月之路。

  隨著嫦娥五號探月任務進入尾聲,中國探月工程“三步走”戰略目標即將完成,中國人探索太空的腳步會邁得更大、更遠。

  挑戰一

  月面起飛

  “摘片月亮”難度大,捎上“特産”要平穩

  在順利完成月球採樣後,嫦娥五號上升器月面點火,輕盈地奔向等待它的太空“母港”——嫦娥五號軌道器和返回器組合體。

  自此,嫦娥五號正式踏上回家之旅。

  從月球出發,把約2000克月壤樣品“打包”帶回,是這次探月的核心任務。約2000克月壤樣品,是月球送給我們的一份珍貴禮物。

  回家之路,遙遙38萬公里,每一步都充滿風險與挑戰。

  嫦娥五號上升器跨出的第一步——從月面點火起飛,就是一個高難度科目,這是嫦娥五號的亮點,也是任務的難點。

  若飛行器在地球上發射,有專門的發射塔架,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。而月面起飛就不一樣了——沒有成熟完備的發射塔架,上升器只能站在著陸器身上發射。

  嫦娥五號上升器從月面起飛,不確定性非常大,可視為一次從月球發射航天器的無人試驗。能否成功起飛關係到後面交會對接能否順利實現,這一環節是交會對接的起點,需要上升器精確瞄準交會對接的軌道器和返回器組合體。

  正如嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢所言:“這個位置可能會存在一定的偏差,不像在地球表面可以精確到米,在月球上現在的指標可能就是百米量級,這些誤差都會影響到入軌的精度。”

  經過一系列技術攻關,嫦娥五號科研團隊開展了一系列試驗驗證,建立了一整套環環相扣的系統,實現了嫦娥五號上升器起飛時自主定位、定姿,護送上升器離開月球。

  所幸,中國航天人付出的一切努力,換來了嫦娥五號上升器的順利飛天。

  挑戰二

  交會對接

  “太空郵差”來幫忙,空中接力送“快遞”

  從月面起飛後,嫦娥五號上升器便飛到月球軌道上。但僅憑一己之力將月壤樣品送回地球,非其力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器和返回器組合體交會對接,把樣品交給返回器,讓它完成接下來的旅程。

  20世紀70年代,蘇聯成功實施了3次無人月球採樣任務,先後發射“月球16號”“月球20號”和“月球24號”探測器,從月球共帶回300多克月壤樣品。當時,蘇聯採用了探測器從月面起飛直接返回地球的方案,這種方案導致探測器需要攜帶大量燃料,而攜帶樣品的能力卻極為有限。

  經過幾十年的實踐探索,我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術。但在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接,還是人類探月史上的第一次。

  此前,嫦娥五號上升器與軌道器和返回器組合體成功上演“月宮之吻”,完成月壤樣品的“收件”工作。兩個航天器在月球軌道進行無人交會對接,“針尖”對“針尖”,對接相當精準,堪稱中國探月的“神來之筆”。

  看似“神來之筆”,背後的技術卻異常複雜、難度系數非常高,稍有不慎就會讓軌道器這個“太空郵差”白跑一趟。

  過去,天宮一號目標飛行器採用的是“異體同構周邊”式對接機構。然而,嫦娥五號上升器與軌道器和返回器組合體的重量相差較大,如果套用過去的“老模式”,一旦控制不好速度和彼此位置,上升器很可能被“撞飛”。這一次,嫦娥五號月球軌道交會對接採用了抱爪式對接機構。

  通俗地講,抱爪就像手握棍子的動作——兩個方向一用力,把棍子牢牢握在手中。探測器的對接機構由3套抱爪構成,當上升器靠近時,只要對準連接面上的3根連桿,將抱爪收緊,就可以實現兩個航天器的緊密連接。這種全新對接機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。

  此次,由航天科工集團二院研製的嫦娥五號交會對接微波雷達,作為中遠距離測量的“助手”,成功引導完成了嫦娥五號的交會對接任務。

  “與近地軌道相比,月球軌道環境更複雜,交會對接對微波雷達的測角精度要求更高。微波雷達主要作用在100公里到20米的中遠程範圍,精度的提高大幅提升了精準對接的勝算。”交會對接微波雷達總工程師孫武説。

  此外,裝有對接用應答機的上升器在落月時難免形成揚塵,這些肉眼不可見的干擾將會嚴重影響測角精度。

  為確保安全度過月球之旅,設計師們在應答機上安裝了特殊材料製成的防塵罩,“就像戴上了護目鏡,嫦娥的‘千里眼’就不會變成近視眼。”孫武説。

  當上升器與軌道器和返回器組合體對接完成後,上升器將裝有月壤樣品的容器轉移到返回器中。月球軌道完成無人樣品轉移,在人類的航天歷史上還是首次。連桿棘爪式轉移機構設計得足夠巧妙,彭兢作了一個比喻:“這個構型很像扎帶,相連後單方向傳遞,只能前進不能後退。”

  38萬公里外,捕獲、收攏、轉移,高速運行的上升器與軌道器和返回器組合體,每完成一步都讓人驚心動魄——相比地球軌道,月球軌道有時延,時間走廊較小、時效性要求高,必須一氣呵成完成對接與轉移任務。

  當返回器“吞入”樣品、關上蓋子,軌道器和返回器組合體與上升器分離,在預定時機加速進入月地轉移軌道,踏上回家的路。

  在太空飛行時,嫦娥五號猶如變形金剛,要完成不少“花式錶演”,而這些都要仰仗軌道器的“本事”和“能耐”。

  為此,中國航天人將“太空郵差”打造成“無敵小能手”。受探測器整體重量約束,“太空郵差”在具備強大承載能力的同時,還能“身輕如燕”。

  挑戰三

  返地控制

  飛行控制精度高,如同太空“打水漂”

  與神舟飛船以第一宇宙速度返回不同,此次任務返回器進入大氣層的速度接近第二宇宙速度。

  以這樣的速度返回地球,如果不能“踩上一腳急剎車”,返回器會在大氣層中燒蝕殆盡。

  然而,返回器減速可不像開車踩剎車那麼簡單。嫦娥五號返回任務,我國採用了半彈道跳躍方式,就像在大氣層表面“打水漂”——讓返回器先高速進入大氣層,隨後借助大氣層提供的升力“跳”起來,再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

  這是生死一“跳”。如果“跳”成功,返回器速度會降到第一宇宙速度,後面的過程就輕車熟路了。

  值得一提的是,6年前,我國成功發射探月工程三期再入返回飛行試驗器,模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程,並對半彈道跳躍方式進行了成功驗證,使我國成為繼美、蘇之後,世界第3個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。

  即使採用半彈道跳躍方式返回,返回器再入大氣層仍然會面臨熱控方面的挑戰。返回器再入速度大、時間長,表面溫度最高可達2000多攝氏度,如果傳導到內部,將對攜帶的月壤樣品産生影響。

  為此,中國航天人採取了一系列措施來保證嫦娥五號返回器平安回家——

  巧妙設計返回器外形。返回器就像一個窩頭,側面挖一個洞,洞裏面就是推力器。在大氣層飛行時,返回器不僅會受到阻力,也會産生一定升力。靠著這一點點升力,返回器就能成功實現半彈道跳躍方式返回。

  為返回器披上“防熱服”。返回器採用蜂窩結構防熱層,裏面填充了新型耐燒蝕材料。在氣動加熱導致溫度升高時,這種新型材料能讓返回器與熱流有效隔絕。

  自主飛行過“黑障”。返回器兩次高速進入大氣層都會産生“黑障”現象。高速摩擦會使返回器表面氣化,産生等離子鞘套,屏蔽了返回器與地面的聯絡。雖然“黑障”過程中天地通信中斷,但並不意味著返回器會失控,一些重要指令在進入“黑障”前已經寫入返回器,返回器可以按照預設內容來執行指令。

  回收開傘成功率更高。在距地面10多公里處,返回器需要借助降落傘進行回收著陸。中國航天人為它量身打造了輕小型化回收系統,通過優化降落傘的結構設計、採用先進材料和製造技術,實現與傘衣連接的傘繩在承受力度不變的前提下減重20%以上;為確保安全可靠,在彈傘、脫傘等環節上都設計了備用方案,以實現“雙保險”。多管齊下,確保第一時間回收返回器。

  不知不覺,嫦娥五號已經與我們分別了10多天。

  短暫的離別,是為了更好的相聚。在接下來的日子裏,我們期待嫦娥五號能夠順利完成任務。

  嫦娥五號,等你回來!

編輯:李婷婷

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