探月工程新進(jìn)展　嫦娥五號(hào)組合體成功分離即將月面軟著陸

　　從國(guó)家航天局獲悉：11月30日，探月工程嫦娥五號(hào)任務(wù)飛行控制團(tuán)隊(duì)按計(jì)劃實(shí)施嫦娥五號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器組合體順利分離。

　　截至目前，探測(cè)器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，地面測(cè)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(duì)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?qǐng)?bào)）

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　　嫦娥五號(hào)不是從月球“挖土”回來(lái)那么簡(jiǎn)單

　　出品| 網(wǎng)易新聞

　　作者| 龐之浩，全國(guó)空間探測(cè)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(guó)在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙五大型運(yùn)載火箭，成功將重量達(dá)8.2噸的嫦娥五號(hào)探測(cè)器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

　　根據(jù)計(jì)劃，嫦娥五號(hào)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(guó)的探月工程所規(guī)劃的環(huán)繞探測(cè)、落月探測(cè)和采樣返回探測(cè)（簡(jiǎn)稱“繞、落、回”）的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿收官。

　　嫦娥五號(hào)是中國(guó)目前為止最重的航天探測(cè)器，整個(gè)嫦娥五號(hào)任務(wù)也是中國(guó)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(hào)，相信你一定有不少疑問(wèn)，下面我們逐一為你解答。

　?。ㄒ唬?.2噸，嫦娥五號(hào)為何這么重？

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

　　嫦娥五號(hào)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(hào)、二號(hào)由1個(gè)空間飛行器組成，也不像嫦娥三號(hào)、四號(hào)和五號(hào)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(hào)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(cè)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(cè)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(cè)器送到月球去，會(huì)影響到探測(cè)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(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器，嫦娥五號(hào)探測(cè)器的總重量達(dá)到8.2噸，如果增加樣品的量，整個(gè)探測(cè)器很多指標(biāo)都會(huì)增長(zhǎng)，8.2噸很可能不夠，最后會(huì)超過(guò)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(guò)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(zhǎng)征五號(hào)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(duì)于所有任務(wù)參與人員來(lái)說(shuō)很辛苦，基本上是通宵達(dá)旦，就連對(duì)于觀看發(fā)射的公眾也不輕松，半夜就得爬起來(lái)。

　　有些人不禁就問(wèn)，為什么非要在凌晨4點(diǎn)半發(fā)射呢？

　　這是由嫦娥五號(hào)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(cè)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(cè)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(guò)精心計(jì)算推導(dǎo)出來(lái)，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(duì)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(cè)器每隔26個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)，金星探測(cè)器每隔19個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)，水星探測(cè)器每隔4個(gè)月有1次發(fā)射機(jī)會(huì)……按理說(shuō)，據(jù)地月的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，月球探測(cè)器每月都有1～2次的發(fā)射機(jī)會(huì)。

　　不過(guò)，由于地月距離較遠(yuǎn)，探測(cè)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(duì)位置在不斷發(fā)生變化，還要考慮火箭與探測(cè)器分離后的光照因素，所以對(duì)軌道設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。

　　綜合細(xì)致考慮長(zhǎng)征五號(hào)的運(yùn)載能力、嫦娥五號(hào)的任務(wù)要求，太陽(yáng)、地球和月球不斷變化的相對(duì)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(cè)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(hào)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(lái)自太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)于嫦娥五號(hào)的影響，有利于信號(hào)的傳播（因?yàn)橐雇淼奶炜赵茖痈伲┖头奖阌^測(cè)。

　　此外，嫦娥五號(hào)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(hào)探測(cè)器可以有效利用持續(xù)穩(wěn)定的太陽(yáng)光照，為儀器設(shè)備供電保溫，同時(shí)方便鉆孔探測(cè)、采集樣品，以及各種拍照探測(cè)等。

　　確定嫦娥五號(hào)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(hào)的發(fā)射窗口。

　?。ㄈ?3天時(shí)間里，嫦娥五號(hào)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(hào)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(duì)接等很多風(fēng)險(xiǎn)比較高的項(xiàng)目，其整個(gè)飛行過(guò)程大致如下：

　　在具體實(shí)施過(guò)程中，要克服不少?gòu)奈从龅竭^(guò)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(guó)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(wú)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(cè)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(wàn)公里遠(yuǎn)的月球軌道與軌返組合體進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)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(guó)在地球軌道上有著比較成熟的航天器交會(huì)對(duì)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(duì)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(wàn)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(duì)交會(huì)對(duì)接精度要求更高。對(duì)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(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接采用?？孔ゲ妒浇粫?huì)對(duì)接方式，為此，中國(guó)研制了一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)，它具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(duì)接示意圖（來(lái)源：航天八院）

　?。ㄋ模?1千米/秒，嫦娥五號(hào)采樣返回為何最難？

　　嫦娥五號(hào)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(lái)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(wú)法通過(guò)地面模擬得到充分驗(yàn)證，是嫦娥五號(hào)月面采樣、月面上升、月球軌道交會(huì)對(duì)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(hào)采樣返回任務(wù)的精確完成，中國(guó)在2014年10月24日先發(fā)射了一個(gè)號(hào)稱“小飛哥”的嫦娥五號(hào)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(hào)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(guó)航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，使中國(guó)成為繼蘇聯(lián)、美國(guó)之后，世界第三個(gè)成功回收繞月航天器的國(guó)家，表明中國(guó)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(hào)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(shuō)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(zhǎng)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?？紤]到中國(guó)內(nèi)陸著陸場(chǎng)等各方因素，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航程、低過(guò)載的返回，所以采用這種方式。

　　嫦娥五號(hào)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(hào)任務(wù)中的返回器基本一致。

　　這次，嫦娥五號(hào)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(duì)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(hào)返回器返回地球時(shí)在中國(guó)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(guò)遠(yuǎn)進(jìn)而無(wú)法找到。

　　嫦娥五號(hào)的工程目標(biāo)之一是為載人登月和深空探測(cè)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(duì)未來(lái)載人登月選址有一定幫助。另外，嫦娥五號(hào)采用月球軌道交會(huì)對(duì)接方案，這也為中國(guó)未來(lái)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(hào)能圓滿完成任務(wù)，攜帶月球樣品的返回器凱旋回家。