探月工程新進(jìn)展　嫦娥五號組合體成功分離即將月面軟著陸

　　從國家航天局獲悉：11月30日，探月工程嫦娥五號任務(wù)飛行控制團(tuán)隊(duì)按計(jì)劃實(shí)施嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離。

　　凌晨4時(shí)40分，在科技人員精確控制下，嫦娥五號探測器組合體順利分離。

　　截至目前，探測器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，地面測控通信正常，軌道器和返回器組合體將繼續(xù)在平均高度約200公里的環(huán)月軌道上飛行并等待上升器交會(huì)對接；著陸器和上升器組合體將擇機(jī)實(shí)施月面軟著陸，進(jìn)行自動(dòng)采樣等后續(xù)工作。（人民日報(bào)）

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　　嫦娥五號不是從月球“挖土”回來那么簡單

　　出品| 網(wǎng)易新聞

　　作者| 龐之浩，全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家

　　2020年11月24日凌晨4點(diǎn)半，中國在海南文昌航天發(fā)射場用長征五號遙五大型運(yùn)載火箭，成功將重量達(dá)8.2噸的嫦娥五號探測器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

　　根據(jù)計(jì)劃，嫦娥五號將在月面采樣后，攜帶約2千克月球樣本于升空后23天回到地球，這也標(biāo)志著中國的探月工程所規(guī)劃的環(huán)繞探測、落月探測和采樣返回探測（簡稱“繞、落、回”）的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿收官。

　　嫦娥五號是中國目前為止最重的航天探測器，整個(gè)嫦娥五號任務(wù)也是中國航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，關(guān)于嫦娥五號，相信你一定有不少疑問，下面我們逐一為你解答。

　　（一）8.2噸，嫦娥五號為何這么重？

　　目前，中國已經(jīng)發(fā)射了6個(gè)“嫦娥”系列月球探測器，其中嫦娥五號是最重的，達(dá)到8.2噸，這是為什么呢？

　　嫦娥五號要完成的任務(wù)是最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的，要實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣返回，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。所以，它不像嫦娥一號、二號由1個(gè)空間飛行器組成，也不像嫦娥三號、四號和五號T1由2個(gè)空間飛行器組成，而是由上升器、著陸器、軌道器和返回器這4個(gè)空間飛行器像“葫蘆娃”一樣“串”在一起。

　　嫦娥五號月球采樣返回器結(jié)構(gòu)圖

　　而且，采集量的多少會(huì)影響到容器的大小，進(jìn)而影響到整個(gè)探測器的體積、重量，以及推進(jìn)劑的需求。比如，為了鉆取0.5公斤的樣品，探測器上的鉆取機(jī)構(gòu)要達(dá)到七八十公斤，為了表取1.5公斤的樣品，表取機(jī)構(gòu)也要幾十公斤，這100多公斤的采樣機(jī)構(gòu)都要由探測器送到月球去，會(huì)影響到探測器整體的重量、體積和功耗。

　　以2公斤的采樣量作為初始值來設(shè)計(jì)探測器，嫦娥五號探測器的總重量達(dá)到8.2噸，如果增加樣品的量，整個(gè)探測器很多指標(biāo)都會(huì)增長，8.2噸很可能不夠，最后會(huì)超過火箭的運(yùn)載能力，目前的設(shè)計(jì)是平衡后的結(jié)果。

　　經(jīng)過論證，2公斤的數(shù)量不算少，工程上可實(shí)現(xiàn)。

　?。ǘ?點(diǎn)30分，為何選在凌晨發(fā)射？

　　長征五號火箭的這次發(fā)射是在11月24日凌晨4:30進(jìn)行的，這不僅對于所有任務(wù)參與人員來說很辛苦，基本上是通宵達(dá)旦，就連對于觀看發(fā)射的公眾也不輕松，半夜就得爬起來。

　　有些人不禁就問，為什么非要在凌晨4點(diǎn)半發(fā)射呢？

　　這是由嫦娥五號月球采樣返回器的發(fā)射窗口所決定的。

　　所謂發(fā)射窗口是指比較合適運(yùn)載火箭發(fā)射包括人造地球衛(wèi)星、載人航天器和空間探測器等航天器的一個(gè)時(shí)間范圍（即允許運(yùn)載器發(fā)射的時(shí)間范圍）。確定發(fā)射窗口通常要根據(jù)天體運(yùn)行軌道條件、航天器的軌道和工作條件、地面跟蹤測控通信以及氣象要求等，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過精心計(jì)算推導(dǎo)出來，因此比較復(fù)雜。

　　發(fā)射窗口寬度有寬有窄，寬的以小時(shí)計(jì)，甚至以天計(jì)算，窄的只有幾十秒鐘，甚至為幾秒鐘。

　　由于每個(gè)航天器承擔(dān)的任務(wù)不同，航天器上安裝的儀器、設(shè)備使用要求不同，因此它們對發(fā)射窗口提出了種種要求和限制條件，而這些要求有時(shí)又互相矛盾，所以選擇什么時(shí)間發(fā)射就必須考慮各方面的要求，經(jīng)綜合平衡后選擇一個(gè)比較合適的發(fā)射窗口。

　　根據(jù)地球和各種地外星球的運(yùn)行規(guī)律，火星探測器每隔26個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)，金星探測器每隔19個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)，水星探測器每隔4個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)……按理說，據(jù)地月的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，月球探測器每月都有1～2次的發(fā)射機(jī)會(huì)。

　　不過，由于地月距離較遠(yuǎn)，探測器用于中途修正所需的推進(jìn)劑有限，而地球和月球的相對位置在不斷發(fā)生變化，還要考慮火箭與探測器分離后的光照因素，所以對軌道設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。

　　綜合細(xì)致考慮長征五號的運(yùn)載能力、嫦娥五號的任務(wù)要求，太陽、地球和月球不斷變化的相對位置，以及天氣等其他因素，2020年11月24日凌晨4點(diǎn)半是最佳發(fā)射時(shí)間，可以滿足地月位置關(guān)系、火箭自身性能、探測器地月轉(zhuǎn)移時(shí)間和返回器再入航程等各種約束條件，能“走捷徑”，從而大大節(jié)省嫦娥五號奔月時(shí)用于中途修正所需的推進(jìn)劑。

　　在凌晨發(fā)射，還能減少來自太陽活動(dòng)對于嫦娥五號的影響，有利于信號的傳播（因?yàn)橐雇淼奶炜赵茖痈伲┖头奖阌^測。

　　此外，嫦娥五號著陸日選在滿月當(dāng)天，也就是北京時(shí)間11月30日，這正是月球正面一個(gè)月晝的開始，也是著陸采樣點(diǎn)日出之際（一個(gè)月晝?yōu)槠?4個(gè)地球日），嫦娥五號探測器可以有效利用持續(xù)穩(wěn)定的太陽光照，為儀器設(shè)備供電保溫，同時(shí)方便鉆孔探測、采集樣品，以及各種拍照探測等。

　　確定嫦娥五號著陸日，再倒推4.5天奔月飛行時(shí)間以及2.5天環(huán)月飛行時(shí)間，最終確定了11月24日凌晨這個(gè)發(fā)射嫦娥五號的發(fā)射窗口。

　　（三）23天時(shí)間里，嫦娥五號要克服哪些困難？

　　從發(fā)射到返回的23天時(shí)間里，嫦娥五號總共要經(jīng)歷11個(gè)重大飛行階段，其中包括23次重大的軌道控制和6次重大分離控制，以及動(dòng)力下降和月面起飛、交會(huì)對接等很多風(fēng)險(xiǎn)比較高的項(xiàng)目，其整個(gè)飛行過程大致如下：

　　在具體實(shí)施過程中，要克服不少從未遇到過困難。例如：

　　在月面上采集樣品時(shí)，著陸器上的采樣裝置要在月球低重力環(huán)境下具備研磨、鉆孔、抓取月壤和輸送月壤、巖石的能力。

　　盡管地球上的機(jī)械手能在模擬月球重力環(huán)境的試驗(yàn)條件下做得很好，但真實(shí)的月球重力環(huán)境與模擬環(huán)境會(huì)存在誤差。所以，機(jī)械手在地球上做出的精確動(dòng)作，在月球上能否重復(fù)完成是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

　　另外，采集的樣品封裝到上升器后，上升器要從著陸器上起飛，這將是中國空間飛行器第一次在地外天體起飛，難度很大。

　　這是因?yàn)?，上升器起飛時(shí)噴射的火焰會(huì)碰到著陸器，從而可能產(chǎn)生干擾上升器的力。另外，月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，也無法像地球發(fā)射塔架那樣配置火箭導(dǎo)流槽，所以要克服月面起飛軌道設(shè)計(jì)、月面起飛測控和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流等困難。

　　還有，攜帶月球樣品的上升器起飛后，要在38萬公里遠(yuǎn)的月球軌道與軌返組合體進(jìn)行無人交會(huì)對接，把采集的樣品轉(zhuǎn)移到返回器中，這在世界上是第一次。

　　中國在地球軌道上有著比較成熟的航天器交會(huì)對接經(jīng)驗(yàn)，多次采用“小追大”的模式，即小質(zhì)量飛船追大質(zhì)量“天宮”。但在月球軌道上進(jìn)行交會(huì)對接要“大追小”，即有較多燃料的大質(zhì)量軌返組合體追小質(zhì)量上升器，而且距離地球幾十萬公里，稍微控制不好就會(huì)偏離到太空中，或撞開返回器，因此對交會(huì)對接精度要求更高。對接全步驟要在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。

　　嫦娥五號月球軌道交會(huì)對接采用?？孔ゲ妒浇粫?huì)對接方式，為此，中國研制了一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機(jī)構(gòu)，它具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計(jì)理念都是世界首創(chuàng)。

　　它與載人航天對接機(jī)構(gòu)不同，從“太空之吻”變成“月軌相擁”。

　　上升器與軌返組合體在月球軌道交會(huì)對接示意圖（來源：航天八院）

　?。ㄋ模?1千米/秒，嫦娥五號采樣返回為何最難？

　　嫦娥五號的返回器在再入地球大氣層時(shí)，與返回式衛(wèi)星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9千米/秒的第一宇宙速度再入地球大氣層不同，它是以11千米/秒接近第二宇宙速度的速度再入地球大氣層，這就帶來很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　再入速度提高一倍，再入熱量將提高8～9倍，返回器很容易被燒毀。所以，返回器以接近第二宇宙速度再入地球大氣層的技術(shù)十分復(fù)雜，無法通過地面模擬得到充分驗(yàn)證，是嫦娥五號月面采樣、月面上升、月球軌道交會(huì)對接、再入返回四大關(guān)鍵技術(shù)中最難的一項(xiàng)，風(fēng)險(xiǎn)很大。

　　為了降低工程風(fēng)險(xiǎn)，確保嫦娥五號采樣返回任務(wù)的精確完成，中國在2014年10月24日先發(fā)射了一個(gè)號稱“小飛哥”的嫦娥五號T1空間飛行器，以掌握返回器超高速再入返回的關(guān)鍵技術(shù)。

　　嫦娥五號T1升空后先飛抵月球附近，然后自動(dòng)返回地球，最終其返回器于同年11月1日采用半彈道跳躍式以11千米/秒的速度再入大氣層，在內(nèi)蒙古預(yù)定區(qū)域順利著陸。

　　這是中國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，使中國成為繼蘇聯(lián)、美國之后，世界第三個(gè)成功回收繞月航天器的國家，表明中國已突破和掌握了航天器超高速再入返回的關(guān)鍵技術(shù)。

　　嫦娥五號T1的返回器與服務(wù)艙分離后采用半彈道跳躍式再入返回示意圖

　　所謂半彈道跳躍式再入大氣層是指航天器進(jìn)入大氣層后，依靠升力再次沖出大氣層，以減速耗能，然后再次進(jìn)入大氣層。換句話說就是采用“打水漂”的方式再入大氣層，在大氣層中“一出一入”。

　　這樣可延長返回器在大氣層內(nèi)飛行的軌跡，消耗掉部分能量，減小著陸速度。考慮到中國內(nèi)陸著陸場等各方因素，為實(shí)現(xiàn)長航程、低過載的返回，所以采用這種方式。

　　嫦娥五號T1由服務(wù)艙和返回器兩部分組成，返回器具備返回著陸功能，與嫦娥五號任務(wù)中的返回器基本一致。

　　這次，嫦娥五號升空23天后，返回器也將攜帶樣品以11千米/秒的速度再入地球大氣層，這是一次實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，返回器再入地球大氣層時(shí)需要一個(gè)安全、穩(wěn)妥的返回路線，對返回器的氣動(dòng)外形、防熱材料以及控制都提出了很高的要求。

　　另外，為了使嫦娥五號返回器返回地球時(shí)在中國的可控范圍內(nèi)，需要控制好軌返組合體的姿態(tài)，如果開始的出發(fā)點(diǎn)控制得不好，著陸點(diǎn)就可能偏離得過遠(yuǎn)進(jìn)而無法找到。

　　嫦娥五號的工程目標(biāo)之一是為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)，其采樣返回任務(wù)對未來載人登月選址有一定幫助。另外，嫦娥五號采用月球軌道交會(huì)對接方案，這也為中國未來的載人登月奠定了基礎(chǔ)，因?yàn)檫@種方案也適合載人登月。

　　最后，祝愿嫦娥五號能圓滿完成任務(wù)，攜帶月球樣品的返回器凱旋回家。