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揭秘嫦娥五号探月任务的三大看点

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长征五号火箭发射嫦娥五号是今年最具“分量”的发射。

11月24日4时30分,伴随着撼天动地的轰鸣声,长征五号火箭腾空而起,经过2200多秒的飞行,成功将嫦娥五号探测器送入地月转移轨道,探月工程第三步正式拉开序幕。

嫦娥五号是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战,将实现我国首次月球无人采样返回任务,意义重大、影响深远。

这是长征五号系列火箭今年第三次执行发射任务,也长征五号系列运载火箭的第六次发射。今年5月5日,长征五号B遥一火箭成功首飞;7月23日,长征五号遥四运载火箭成功发射了“天问一号”火星探测器。

嫦娥五号发射任务是长征五号火箭立项研制后较早明确的国家重大工程任务。历经十年,“大火箭”终于与“嫦娥”携手奔月,举国关注、举世瞩目。那么,此次发射有哪些看点呢?

嫦娥五号探测器全貌。本文图片来源:国家航天局(万珂摄)中国航天科技集团五院、中国航天科技集团一院。

嫦娥五号探测器全貌。本文图片来源:国家航天局(万珂摄)中国航天科技集团五院、中国航天科技集团一院。

看点一:今年最具“分量”的发射

有“胖五”之称的长征五号火箭大家并不陌生,这款由中国航天科技集团一院研制的大推力运载火箭起飞重量约870吨,地球同步转移轨道(GTO)运载能力可达14吨,是目前我国运载能力最大的火箭,可以说是名副其实的“大力士”。

此次长征五号火箭发射的嫦娥五号月球探测器重达8.2吨,是我国目前发射的重量最重的探测器,嫦娥五号探测器需要进入近地点200公里、远地点41万公里的地月转移轨道,对运载火箭的能力提出了很高的要求。

“在长征火箭家族中,只有长征五号运载火箭可以将这么重的载荷直接送入地月转移轨道,这是对运载火箭能力的集中检验,也是对中国航天能力的最佳注解。”长征五号火箭第一总指挥、一院党委书记李明华介绍说。

此次发射的“分量”还体现在长征五号火箭的技术创新与管理创新上。由于地月相对位置以及轨道设计等因素的限制,此次发射是一次接近于“零窗口”的发射,火箭的发射窗口只有五十分钟,一旦在发射窗口时间内不能实施发射,嫦娥五号的奔月计划就会受到影响。

转运中的长征五号探测器。

转运中的长征五号探测器。

为了确保火箭准时发射,研制团队采用了变射向、变滑行时间的多轨道奔月发射方案,应用“窄窗口多轨道”技术。长征五号运载火箭总设计师李东解释说,针对五十分钟的发射窗口分别设计了五条发射轨道,每条轨道对应十分钟的发射窗口,在发射窗口期内,可根据发射时间通过软件自动选择发射轨道,提高了轨道切换效率,为火箭实现“零窗口”发射奠定了基础。

此外,作为大型低温火箭,长征五号火箭在发射日的工作项目繁多而复杂,任何一个环节出现问题都可能导致火箭发射时间的推迟,甚至错过发射窗口。为了确保发射日工作精准、高效开展,研制团队在管理上也采取了创新的方法,通过发射日流程精细化管理,对发射前流程进行精细化再造,从过程、岗位和设施维度分别开展梳理和设计,把岗位职责、工作要求和发射流程有机融合,形成了可以指导工作的项目细化表以及工序作业指导书,对发射日当天的各项工作提供直接、有效的指导。

“采用发射日流程精细化管理后,发射日当天的每一个阶段、每一个项目和每一到工序都有清晰、明确的要求和指导,每个岗位在什么时间做什么事情、达到什么标准、杜绝什么问题,都一目了然,提高了发射日的工作效率,有效防止了低层次问题的发生。”长征五号火箭总指挥王珏指出。

长征五号目前我国运载能力最大的火箭,可以说是名副其实的“大力士”。

长征五号目前我国运载能力最大的火箭,可以说是名副其实的“大力士”。

看点二:中国航天史上四个“首次”

作为我国探月工程“绕落回”三步走中的最后收官之战,中国航天科技集团有限公司五院研制的嫦娥五号将有望实现我国航天史上的四个“首次”。

第一个“首次”是首次月面采样返回。作为此次任务的核心关键之一,月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段,嫦娥五号将在月面选定区域着陆并采集月壤,实现我国首次月面自动采样。采集约2千克月壤并进行密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将月球样品安全送回地球。

1970年9月,苏联发射的“月球”16号是人类历史上第一个实现在月球上自动取样并返回地球的无人探测器,其将101克月球样品带回地球。

第二个“首次”是首次月面起飞上升。当嫦娥五号完成月面工作后,上升器就要带着采集的月球样品起飞上升,与轨返组合体对接。这是一个高难度科目。运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的,点火起飞位置也经过了精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了,它没有一马平川的起飞地,更没有成熟完备的发射塔架,着陆器就相当于上升器的发射塔架。

而月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。这就给起飞带来了很大的难度。此外,还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞的时候,还无法像运载火箭一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认,必须依靠航天器“自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升,航天科技集团五院嫦娥研制团队进行了大量的试验验证,并建立了一整套环环相扣的系统保证任务,为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。

嫦娥五号任务是我国探月工程“绕落回”三步走中的最后收官之战。

嫦娥五号任务是我国探月工程“绕落回”三步走中的最后收官之战。

第三个“首次”是首次实现月球交会对接。当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,仅仅依靠上升器是不可能实现返回地球的,它需要飞到月球轨道上,在这里与轨返组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。

2011年,神舟八号载人飞船与天宫一号目标飞行器实现了我国首次空间交会对接试验。经过几十年的实践探索,我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术,但从来没有在38万公里外的月球轨道上进行交会对接。嫦娥五号探测任务的无人交会对接不仅在我国尚属首次,而且也是人类航天史上的第一次。

嫦娥五号采用具有世界先进水平的月球轨道交会对接技术,但这为航天科技集团五院嫦娥五号研制团队带来了极大的挑战。为此,从上升器进入环月飞行轨道开始,一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止,设计师们为嫦娥五号设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作,助推嫦娥五号实现完美对接。

第四个首次是首次带月壤高速再入返回地球。当返回器带着月壤从38万公里远的月球返回地球时,飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。以这样的速度进入大气层,很容易因高温而被烧毁。要在进入大气层阶段把速度降下来,所以飞行试验器返回舱选择了半弹道“跳跃式”再入返回技术。这就像在太空打水漂一样,整个再入返回过程就是让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面。整个过程环环相扣,确保返回舱能安全顺利地降落在四子王旗着陆场。

长征五号火箭已迎来高密度发射。

长征五号火箭已迎来高密度发射。

看点三:一年不到,完成4次高密度发射

2016年11月3日,历经十年研制的长征五号火箭首飞取得圆满成功,突破了以大直径箭体结构设计制造与试验、三型大推力发动机等为代表的12大类247项关键技术,让我国火箭的运载能力达到了25吨级,多项重要性能指标进入世界前列。

2017年7月2日,长征五号遥二火箭经历一次失利,其后908天,研制团队负重前行,彻底攻克了发动机技术难题,2019年12月27日,长征五号遥三火箭实现了“王者归来”。

去年长五遥三复飞以来,我们总共执行了四发飞行试验任务,工作量非常饱满。对于长征五号这一大型新研火箭来说,在不到一年的时间内连续完成4次的高密度发射,而且每一次都是重大任务,需要全体研制人员完全投入。

一发长征五号火箭的总装时间大概是三个月,总测时间是一个月,进入发射场以后完成整个流程是两个月,也就是说准备一发长五火箭大约需要六个月。为实现一年4次发射任务,基本是几发任务同时并行开展,对于长征五号火箭本身而言也是高密度发射。当一发火箭在发射场发射,另一发火箭就在总装总测,长五研制团队分为几拨,分别在北京、天津、文昌同步开展工作,确保了一年四发任务的完成。

根据规划,计划在未来2-3年内,应用长征五号B运载火箭,发射载人空间站的核心舱和试验舱,完成载人空间站的主体建设。“十四五”期间,长征五号火箭还将在深空探测、星际探测中扮演重要角色。不论是行星探测还是小行星探测,长征五号火箭强大的运载能力都是实现目标的重要支撑,不仅可以让探测器携带更多科学探测设备,还可以在轨道设计上拥有更多选择,节省燃料、节约周期。

在发射高轨大卫星方面,长征五号火箭依然是唯一选择;同时,在发射低轨卫星方面,长征五号火箭也可通过“一箭多星”的方式实现快速组网,大幅缩短星座组网周期。因此,长征五号火箭也将迎来高密度发射。

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