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嫦娥五号的月面 48 小时

本文作者:付静 2020-12-05 12:26
导语:48 小时内,嫦娥五号自主完成了从挖土到打包,从升旗到起飞的一系列任务。

2020 年 12 月 3 日,是中国航天史上的重要一天。这一天,我国首次实现了地外天体起飞。

23 时 10 分,嫦娥五号上升器 3000N 发动机工作约 6 分钟,成功将上升器送入到预定环月轨道。

嫦娥五号的月面 48 小时

实际上,12 月 1 日 23 时 11 分,嫦娥五号成功着陆在位于月球正面西经 51.8 度、北纬 43.1 度附近的预选着陆区。

在月面的 48 小时,嫦娥五号自主完成了从挖土到打包,从升旗到起飞的一系列任务。

向月球出发

嫦娥五号探测器原定于 2017 年出发,这一迟到了三年的地外天体采样之旅,可谓是我国迄今为止最为复杂的航天任务。

公开资料显示,嫦娥五号此次任务共有 11 步。

北京时间 2020 年 11 月 24 日凌晨 4 时 30 分,搭载着嫦娥五号探测器的长征五号遥五运载火箭成功点火发射,任务自此展开。

嫦娥五号的月面 48 小时

不难想象,嫦娥奔向月亮的过程并不容易,在地月转移过程中,受入轨偏差、控制偏差等多种因素影响,探测器难免会产生轨道偏差。

为确保其始终在适当的轨道上飞行,11 月 24、25 日,嫦娥五号先后完成了两次轨道修正。

至此,嫦娥五号已经历了大约 112 小时的飞行,顺利到达了近月点,完成了最初的两步——发射入轨、地月转移。

第三阶段则为近月制动。

简单来讲,嫦娥五号的最终目的是要在月球着陆执行任务,要着陆,首先要先绕月飞行;而要绕月飞行,就要把原本的飞行速度降下来。

降到什么程度呢?据了解,相对速度只有比月球逃逸速度低,才能被月球引力捕获,进入环月轨道。

和地面行驶的汽车原理一致,在近月制动时段,嫦娥五号也进行了 2 次刹车制动。

随后进入环月飞行阶段,即第四阶段。

相比「前浪」们,嫦娥五号的结构最为复杂,共由四部分组成:

  • 轨道器(为地月穿梭提供动力)

  • 返回器(带着样本回到地球)

  • 着陆器(用于登月时的下降)

  • 上升器(带样本从月球起飞)

这一阶段,嫦娥五号一边飞行,一边要进行一项重要工作:将「着陆器+上升器」组合体与「轨道器+返回器」组合体分离。

按照此前的分工,轨道器、返回器留轨运行,承载着上升器的着陆器将进行软着陆和采样任务。

这之后,嫦娥五号则经历了至关重要的 15 分钟——着陆下降。

由于落月后要经历月面发射任务,而落月范围容易存在误差,这会直接影响到发射点经纬度、坡度、高程的变化,所以嫦娥五号必须知道自己身处的精确位置和状态。

据国家航天局介绍,「着陆器+上升器」组合体从距月面约 15 公里处开始实施动力下降,7500 牛变推力发动机开机,嫦娥五号的相对月球速度从约 1.7 公里/秒逐步下降至零。

经过自动检测障碍,嫦娥五号选定了着陆点,最终于 12 月 1 日 23 时 11 分着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

值得一提的是,这一过程中,着陆器搭载的相机还拍了下面这张照片。

嫦娥五号的月面 48 小时

由此,嫦娥五号的月面 48 小时正式开始。

月面自主工作 48 小时

在月面的 48 小时,嫦娥五号自主完成了从挖土到打包,从升旗到起飞的一系列任务。

如何挖土?

嫦娥五号采取了钻具钻取、机械臂表取两种模式,其中钻取 0.5 公斤样本,表取重量则为 1.5 公斤,用时共 19 小时。

嫦娥五号的月面 48 小时

中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢对此做了解释:

钻取就是通过空心钻杆的取芯机构,钻到月球表面两米深以下处,得到深层样品的层理信息;表取就是采用机械臂末端固定铲挖型采样器,进行表层和次表层月壤采集。

机械臂和钻头精确配合,两种取样方式同时进行,样品的种类更为丰富,可靠性也会提升。

随后就进入到了封装环节。

由于月面几乎是真空状态,而地球表面环境中有气体成分、固体颗粒,为避免月样受到污染,航天科技集团五院 510 所研制了一种月样密封封装子系统。

据环球网报道:

这一系统能够自动承接、封装月球样品,还具有密封功能的装置。

另外对于封装的方式,中国工程院院士、国家航天局原局长、探月工程首任总指挥栾恩杰有个形象的比喻——哈尔滨香肠:

因为地球和月球的环境是不一样的,样品不能在转移到地球的时候受到污染,因此要把钻取的岩芯装进一个长长的包裹紧密封装好,就像哈尔滨香肠一样。

实际上他所形容的正是航天科技集团五院 529 厂设计的「双管单袋方案」。钻取到的样品自动进入取芯软袋,取芯软袋的拉绳上提,经过封装,软袋就被放入了封装装置内。

完成了取样、打包后,嫦娥五号接下来要做的是一件仪式感满满的事情:升国旗。

嫦娥五号的月面 48 小时

由于宇宙中存在很强的电磁辐射,而月球表面温差也极大(最大温差可达到 310 摄氏度),普通旗帜很可能会出现褪色、串色甚至分解的情况。

也就是说,环境决定了月面五星红旗材质的特殊性。科研团队经过大量的理论研究和实际试验,发现单一纤维和纺织工艺都无法满足环境要求。国旗展示系统技术负责人程昌表示:

在选材上花费的时间超过 1 年,挑选出了二三十种纤维材料,通过热匹配性、耐高低温、防静电、防月球尘埃等试验,最终选用了一种新型复合材料。

确定了旗面材质,还有一个问题——旗杆。旗杆不仅要能克服环境难题、保证可靠性,在重量上也要尽量轻。

而要在月球上展示国旗也并非易事。据科技日报报道:

系统立项初期,科研团队设计了多种展示形式,比如记忆合金展示方案、伺服升旗方案、机构展示方案等通过卷轴形式展开国旗,以及以折扇形式展开国旗方案。高低温试验表明,只有卷轴形式展开的国旗比较平整,不会出现褶皱等情况。

经过科研团队的努力,国旗展示系统成型,整个系统重量在 1 公斤以内,其中国旗重量仅 12g,国旗尺寸为 2000 毫米×900 毫米。

终于,五星红旗在月球升起,这是继嫦娥三号、四号任务后五星红旗又一次展现在月表,也是五星红旗的首次月表动态展示。

嫦娥五号的月面 48 小时

随后又到了另一个重要环节:月面起飞。

这一次,着陆器扮演着上升器「临时塔架」的角色,相比地面发射塔架自然不够成熟;而上升器也面临着不少挑战,比如:起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异。

12 月 3 日 23 时 10 分,上升器 3000N 发动机工作约 6 分钟,在经历了垂直上升、姿态调整和轨道射入后,携带样品的上升器进入了预定环月轨道。

这是我国首次实现地外天体起飞,嫦娥五号在月面高难度的 48 小时工作也全部完成。

静待嫦娥归来

截至目前,嫦娥已告别月球,约 20 天后,其返回器将着陆于内蒙古四子王旗,最终完成使命。

随后,嫦娥五号还要经历交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收四个阶段,面临着种种考验,其中可预见的三点最大的难题在于:

  • 此前我国的空间自主交会对接工作都是在地球轨道上进行的,相比地球轨道,月球轨道附近的地面站、人造卫星提供的服务资源少了很多,因此月轨对接是一大难题。

  • 为防止月壤样品在再入过程中受影响,嫦娥五号还将进行一次月轨样品封装。

  • 由于月地间的距离遥远,在返回地球时,火箭的温度会随着速度不断上升,在进入地球大气层时可能会因为温度问题再入失败。

当前,成功从月球上「挖土」回来的国家只有前苏联和美国,而上一次任务迄今已经过去了 44 年。

嫦娥五号的月面 48 小时

【阿波罗 15 号采集到的样本】

为期 23 天、跨越近 80 万公里的征程,是我国探月工程“绕-落-回”的最终章,也是航天事业的新跨越,中国人离载人登月和建立月球基地又近了一步。

静待嫦娥回家。

引用来源:

http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/index.html

https://weibo.com/u/6528178851?refer_flag=1005055013_&is_all=1

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1685103359605607128&wfr=spider&for=pc

https://mp.weixin.qq.com/s/HlceE4fVoEALc80-P3303w

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