“嫦娥”五号的四个首次突破

subtitle 百科知识杂志 10-17 22:37

与“嫦娥”三号、“嫦娥”四号不同,“嫦娥”五号将实现4个重大首次突破:首次在月球表面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以第二宇宙速度返回地球。

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第一个首次:

钻取月壤,无污染封装

“嫦娥”五号计划在月面采集2千克样品,并且是通过两种方式获得月壤。一种方式是利用钻取器,在月球上降落之后,由它来负责钻取,获取深度为2米的月球样品。另一种方式是用机械臂的电铲铲取月壤,取得月球表面具有独特信息的月球样品。获取的样品必须尽量保持原样,不能破坏其层次结构。此外还要在月面真空环境下完成样品封装,并带回地球,整个环节必须分毫不差。苏联曾多次尝试月面采样,仅成功3次,共带回样品300多克,可见其难度。

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人们对月表之下的情况不得而知,很可能遇到坚硬的巨石,也可能是松软的土壤,或者其他不同含量的矿物质,机器零部件的运动磨损和热胀冷缩情况也会有所不同。我国科研人员对这一钻探过程在实验室进行了反复的实验,想象了各种不同的情况,通过模拟月壤情况,对“嫦娥”五号的采样器进行验证,检测钻取过程遇到阻力时的状况,将可靠性提升到最高。

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第二个首次:

从月面起飞

中国之前发射到月球表面的探测器,在完成任务后都留在了月球表面,例如“嫦娥”三号和“嫦娥”四号。但本次任务的核心是返回,月面起飞是最关键的技术突破。

完成月面采样后,“嫦娥”五号的上升器要从月面起飞,摆脱月球引力抵达环月轨道。这个任务将由上升器来完成,上升器将在月球表面进行首次月面起飞,但只能进行短距离的飞行。因为它携带的燃料有限,不可能直接飞回地球,只能到达在月球轨道飞行的轨道器,由轨道器携带返回器完成接下来的行程。

月面起飞是完全自主的,其姿态有不确定性,不像在地球上发射火箭,有稳定的发射平台和地面人员提供保障。这是一项十分复杂的新技术,相当于在月球上发射一个火箭,要实现自动发射,需要许多关键技术的突破。

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第三个首次:

上升器与轨道器的对接

在月球采集的样品被送入月球轨道后将与轨道器对接,它们的对接将是“针尖”对“针尖”的对接,而这种对接在距离地球38万千米外进行,地球上无法看见,也根本无法提供数据和测控支持,完全由事先植入的人工智能来完成,也就是说月球轨道上任何一点无法预料的变化都有可能令对接失败。在交会对接之后,还要实现样品的转移,样品要从上升器里转移到返回器里,过程也比较复杂,动作很多,难度较大。

上升器与着落器模拟图

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第四个首次:

接近第二宇宙速度返回地球

与“神舟”飞船回家时一头扎进大气层不同,“嫦娥”五号返回地球的速度非常快,将达到11.2千米每秒的第二宇宙速度,以这样的速度进入大气层,势必会因为高温而被烧毁。要控制它减速至7.9千米每秒的第一宇宙速度进入地球轨道,乃至最终安全返回到指定地点,这些都有很大难度。

要在进入大气层阶段把速度降下来,我国选择了“弹跳式”再入返回技术。当“嫦娥”五号以计算好的某个角度与大气层接触后,和大气层产生相互作用力,“嫦娥”五号就像碰触到水面的小石子一样,弹跳起来,然后再次接触大气层,就像人们时常玩的“打水漂”,以达到减速目的。这个控制要求比较高,弹跳需要精确计算,一不小心就被弹回大气层外,再也无法回到地球。为克服气流等引起的不确定因素,在弹跳过程中,还有多台小发动机在适时点火,控制姿态,确保每一步升降都准确。只有每一步都准确,才能准确降落至内蒙古中部的预定降落场。飞行器从月球轨道回家,采用“弹跳式”进入大气层的方式,仅有苏联采用过。

本文节选自《百科知识》2020.10A

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