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嫦娥五号出发,力争实现中国航天史上5个“首次”

日期:2020-11-25来源:科技日报

嫦娥五号出发,力争实现中国航天史上5个“首次”

2020年11月24日,嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场发射成功。这是我国探月工程“绕、落、回”三步走中,第三步的首次任务。

由中国航天科技集团有限公司研制的嫦娥五号探测器,是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统之一,由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成,包含15个分系统。在此次任务中,嫦娥五号将经历11个飞行阶段,20余天的在轨飞行过程,采集约2公斤月球样品返回地球。

国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍,如果任务取得成功,有望创造我国航天史上的5个“首次”。

多种方式的月面自动采样

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。

记者从航天科技集团五院了解到,嫦娥五号将在月面选定区域着陆,使出浑身解数采集月壤,实现我国首次地外天体采样与封装。

五院设计师们采用表钻结合,多点采样的方式,精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。

当着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面,嫦娥五号就开始为期2天的月面工作。它随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等,将科学分工、精密配合,采取深钻、浅钻、“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约2公斤月壤并进行密封封装。

据五院专家介绍,嫦娥五号任务采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等条件约束;采样期间面临月面高温的工作环境;采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。因而采样封装是此次任务的核心环节之一。

月面起飞全靠航天器自力更生

完成月面工作后,嫦娥五号就要踏上归途。从月球回家可不容易,第一步能否迈好至关重要,这要突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。

嫦娥五号上升器在月面点火起飞,是一个高难度科目。

众所周知,运载火箭在地球起飞有一套完备的发射系统,点火起飞位置经过精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。

而月面起飞就不一样了,没有一马平川的发射场,更没有成熟完备的发射塔架,上升器只能站在着陆器身上发射。而月球表面环境复杂,着陆器不一定是平稳状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,这都会增加起飞的难度。总而言之,整个起飞过程只能依靠航天器自力更生。

五院专家介绍,面对倾斜发射的技术难题,需要明确起飞稳定性的各项因素及其耦合的影响,依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨,必须通过大量地面仿真和试验对起飞上升发动机开展验证。但月面环境的特殊性,低重力、高真空等环境模拟使得地面验证较为困难。

经过一系列技术攻关,五院科研团队成功开展了各项试验验证,建立了一整套环环相扣的系统保证任务,护送嫦娥五号离开月球。

人类首次月球轨道无人交会对接

嫦娥五号上升器从月面起飞后,将飞到月球轨道上。但要它凭借一己之力将月球样品送回地球,却非力所能及。它需要在月球轨道上与轨道器、返回器组合体交会对接,把样品交给返回器,让其完成接下来的旅程。

上世纪70年代,苏联成功实施了3次无人月球采样任务,先后利用月球16号、20号、24号探测器,一共从月球取回300多克样品。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向科技日报记者介绍,苏联采用探测器从月面起飞直接返回地球的方案。探测器需要携带大量燃料,而携带样品的能力极为有限。

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,但是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,不仅在我国尚属首次,而且也是人类航天史上的第一次,这给五院科研团队带来了极大挑战。

记者从五院了解到,嫦娥五号月球轨道交会对接采用停靠抓捕式交会对接方式,且无卫星导航信号支持,对接和样品转移过程自主性要求很高。这需要在考虑探测器的测控、光照条件、姿轨控、电源、热控等各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计。

同时,月球轨道交会对接过程中,地面测控支持能力受限,受到对接机构大小的限制,对接精度的要求较高。此外,嫦娥五号对接机构中必须考虑样品转移装置的设计,保证对接精度满足样品转移相关要求。对接机构与样品转移机构一体化设计也是难点。

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,五院设计师为嫦娥五号精心设计了交会、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,力助嫦娥五号精准完成样品接力。

带着月壤高速返回地球

近地轨道航天器再入返回大气层时,速度通常为每秒约7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五号从月球风驰电掣般向地球飞来,速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。

每秒3公里多的速度差,带来的力道大不相同。假如嫦娥五号冲劲过猛,一头撞向地球,整个任务都将前功尽弃。

为此,科研人员首次提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在大气层表面打水漂一样,让返回器先高速进入大气层,随后借助大气层提供的升力“跳”起来,再以第一宇宙速度重新进入大气层返回地面。

2014年,我国发射嫦娥五号再入返回飞行试验器,模拟了嫦娥五号奔月、绕月、返回的全过程,并对跳跃式再入返回技术进行了成功验证,使我国成为继美、苏之后,世界第3个成功实施航天器从月球轨道重返地面的国家。

不过,当年的试验与如今的任务尚有细微差别。五院专家表示,嫦娥五号再入返回设计继承了此前飞行试验器的设计,任务再入航程也与飞行试验器基本一致。但装有月壤的样品容器重量有一定不确定性,有可能影响返回器的质量特性,这对返回器制导导航控制系统的鲁棒性(控制系统在一定参数摄动下,维持某些性能的特性)提出了较高要求。

除了前述四点,裴照宇还表示,我国将首次实施完整的月球样品存储、分析和研究全过程。

从立项到发射,嫦娥五号任务团队经历了10年的艰辛奋战。围绕诸多关键核心技术和难点,五院充分研究继承低轨道卫星、高轨道卫星、载人航天交会对接、地外天体无人着陆与航天器返回等技术经验,联合参研单位集中最强阵容攻克难关,确保了嫦娥五号探测器方案设计合理,各项功能性能满足任务的要求,研制过程技术状态和质量受控。

在接下来20多天里,嫦娥五号能否成功完成任务如期归来,让我们拭目以待。