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史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

2020-11-22 10:11:35 来源: 网易航空 网易号 举报
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11月17日,长征五号遥五运载火箭活动发射平台离开了测试厂房,携带嫦娥五号探测器进入发射场地。

21日上午,“嫦娥五号”月球探测任务组织发射前系统间全区合练,这也是发射前的最后一次合练。

史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

2020年11月17日,长征5号火箭已经树立在发射台上。

这标志着中国探月计划关键节点,嫦娥五号探测器的发射已经箭在弦上。

这是继1976年8月19日,苏联“月球-24”号采样器离开月球之后,人类时隔44年首次向月球发射可返回式探测器。

这也是继美国和苏联之后,第三个国家的可返式探测器。

抛开复杂的专业术语,嫦娥五号的任务可以简单概括为从地球飞到月球上,取点岩石土样,然后再从月球飞回地球。

当然,最理想的情况就是派载人飞行器落到月球上,就像当年美国的“阿波罗11号”一样。宇航员脚踏实地站在月球表面,挖一铲子土那是轻轻松松。

不过载人登月还是中国探月工程的远期目标,嫦娥五号作为中国探月工程“绕、落、回”三期中“回”的一环,使用的是无人操作的方式。

史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

中国探月工程三步走战略(中国探月与深空探测网)

发射与返回环节一共12个步骤

作为一段往返76万公里的长途跋涉,嫦娥五号探测器的发射和返回困难程度远超普通人想象。

嫦娥五号目前实现突破的核心技术包括:运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移、轨道分离、再入回收12个部分。

这12个部分里面还有许多的小细节,每一环出错都可能导致整个探月计划功亏一篑。

整个飞行过程23天,有23次重大的轨道控制,还有6次重大分离控制。

从探测器本身来讲,嫦娥五号全重达到8.2吨,和此前发射的天宫系列空间站属于同一吨位。重量远超嫦娥一二三号星。

之所以重量大增,是因为它为返回地球增添了模块。

四大模块组成的“变形金刚”


嫦娥五号由四大部分组成:分别是上升器、着陆器、返回器和轨道器,四个部分依次联接在一起。

着陆器顾名思义就是承担降落到月球的功能,并且还要负责采样;上升器承担飞离月球的功能,这两个部分组合在一起,单独降落到月球上。

轨道器负责把嫦娥五号送回地球,返回器保存月球岩石样本,并且负责再入大气层的工作。这两部分不落到月球表面,而是在环月轨道上运行。

四大部分既是一个有机整体,也可以分离操作。

当长征五号遥五运载火箭运送嫦娥五号进入地月转移轨道,嫦娥五号制动入轨后将进行环月飞行。

在合适的时间点,上升器和着陆器组合的模块分离脱落,降落到月球表面,着陆器完成采样封装后,上升器点火,带着着陆器脱离月球表面,进入环月轨道,与返回器和轨道器交会对接。

合体完成之后的嫦娥五号轨道器点火,从环月轨道飞回地球,以第二宇宙速度再入大气层,在内蒙古四王子旗着陆。

嫦娥五号“四个第一”带来的高难挑战

这里面的许多环节都是中国航天史上的第一次。

其中最重要的有四个第一。

首次在月球表面进行自动采样。

首次从月球表面发射。

首次首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接。

首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

这四个第一都有各自的难度。

取样阶段,在引力只有地球1/6的月球上,采样和封装很困难,以前中国从没做过,更何况全过程都要无人操作。

从月球表面起飞也是一大难点,因为通常发射火箭都有稳定的平台,有散热和导流的设施。月球表面地形相对复杂,甚至不平坦,在这种恶劣条件下起飞,对上升器是很大的考验。

史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

接受测试的嫦娥五号探测器 来源:央视

在月球轨道上的对接难度就更高,在38万公里距离,电磁波也需要1秒多才能抵达,地面控制中心根本无法完成这样精细的对接操作。打个比方,在这样距离上的对接基本是针尖对针尖,不但要对得准还必须接得上。

当嫦娥五号返回大气层时,速度达到第二宇宙速度,每秒11.2公里,这么高的再入速度也是历史首次。

过去我们航天器的再入都是第一宇宙速度,每秒7.9公里。

速度更高、摩擦更大,返回器的气动外形、防热材料、姿态控制都是新挑战。

为防止速度过高气动摩擦将返回舱烧毁,航天专家设计了一种“水漂”式减速的方法。

当返回器以特定角度高速撞击大气层时,会弹起,如同石子在水面上打水漂,这样弹起再下落几次后,返回器速度会降低到安全的范围,再进行大气层的穿行,最后着陆。

相关的返回技术已经得到验证。中国在2014年发射的探月试验飞行器,成功验证了跳跃式弹道技术。

人工智能的运用是一大亮点

此外嫦娥五号探测器的地月往返之旅,人工智能的应用也是一大亮点。

首先在月球表面的软着陆,就将由嫦娥五号自行判断。

此次的着陆点在月球正面吕姆克山脉,离美国阿波罗飞船的着陆点约1000公里。

史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

嫦娥五号登月选定着陆区域。图片来源:Phil Stooke

此前嫦娥三号探测器在月球表面的成功着陆,已经证明了人工智能对探测器的着陆控制相当出色。

史诗级挑战:8.2吨重嫦娥五号往返地月76万公里之旅

嫦娥三号探测器

嫦娥五号探测器采样也是自动控制,用电铲铲取土壤,另外自动打钻取岩芯。

更为复杂的对接工作也是由嫦娥五号自行完成,依靠人工AI自主控制。

无论从哪个方面来衡量,这次嫦娥五号探测器的发射,都充满了挑战,其复杂程度堪称创造纪录。

再过几天,我们就能看到它飞向月球的身影,祝愿它完成任务圆满归来!

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高仰止 本文来源:网易航空 责任编辑:姚文广_NN1682
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