嫦娥五號的月面 48 小時

2020 年 12 月 3 日,是中國航天史上的重要一天。這一天,我國首次實現了地外天體起飛。23 時 10 分,嫦娥五號上升器 3000N 發動機工作約 6 分鍾,成功將上升器送入到預定環月軌道。實際上,12 月 1 日 23 時 11 分,嫦娥五號成功着陸在位於月球正面西經 51.8 度、北緯 43.1 度附近的預選着陸區。

嫦娥五號的月面 48 小時

在月面的 48 小時,嫦娥五號自主完成了從挖土到打包,從升旗到起飛的一系列任務。

向月球出發

嫦娥五號探測器原定於 2017 年出發,這一遲到了三年的地外天體采樣之旅,可謂是我國迄今為止最為復雜的航天任務。

公開資料顯示,嫦娥五號此次任務共有 11 步。

北京時間 2020 年 11 月 24 日凌晨 4 時 30 分,搭載着嫦娥五號探測器的長征五號遙五運載火箭成功點火發射,任務自此展開。

嫦娥五號的月面 48 小時

不難想象,嫦娥奔向月亮的過程並不容易,在地月轉移過程中,受入軌偏差、控制偏差等多種因素影響,探測器難免會產生軌道偏差。

為確保其始終在適當的軌道上飛行,11 月 24、25 日,嫦娥五號先後完成了兩次軌道修正。

至此,嫦娥五號已經歷了大約 112 小時的飛行,順利到達了近月點,完成了最初的兩步——發射入軌、地月轉移。

第三階段則為近月制動。

簡單來講,嫦娥五號的最終目的是要在月球着陸執行任務,要着陸,首先要先繞月飛行;而要繞月飛行,就要把原本的飛行速度降下來。

降到什麼程度呢?據了解,相對速度只有比月球逃逸速度低,才能被月球引力捕獲,進入環月軌道。

和地面行駛的汽車原理一致,在近月制動時段,嫦娥五號也進行了 2 次剎車制動。

隨後進入環月飛行階段,即第四階段。

相比「前浪」們,嫦娥五號的結構最為復雜,共由四部分組成:

  • 軌道器(為地月穿梭提供動力)

  • 返回器(帶着樣本回到地球)

  • 着陸器(用於登月時的下降)

  • 上升器(帶樣本從月球起飛)

這一階段,嫦娥五號一邊飛行,一邊要進行一項重要工作:將「着陸器+上升器」組合體與「軌道器+返回器」組合體分離。

按照此前的分工,軌道器、返回器留軌運行,承載着上升器的着陸器將進行軟着陸和采樣任務。

這之後,嫦娥五號則經歷了至關重要的 15 分鍾——着陸下降。

由於落月後要經歷月面發射任務,而落月范圍容易存在誤差,這會直接影響到發射點經緯度、坡度、高程的變化,所以嫦娥五號必須知道自己身處的精確位置和狀態。

據國家航天局介紹,「着陸器+上升器」組合體從距月面約 15 公里處開始實施動力下降,7500 牛變推力發動機開機,嫦娥五號的相對月球速度從約 1.7 公里/秒逐步下降至零。

經過自動檢測障礙,嫦娥五號選定了着陸點,最終於 12 月 1 日 23 時 11 分着陸於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。

值得一提的是,這一過程中,着陸器搭載的相機還拍了下面這張照片。

嫦娥五號的月面 48 小時

由此,嫦娥五號的月面 48 小時正式開始。

月面自主工作 48 小時

在月面的 48 小時,嫦娥五號自主完成了從挖土到打包,從升旗到起飛的一系列任務。

如何挖土?

嫦娥五號採取了鑽具鑽取、機械臂表取兩種模式,其中鑽取 0.5 公斤樣本,表取重量則為 1.5 公斤,用時共 19 小時。

嫦娥五號的月面 48 小時

中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢對此做了解釋:

鑽取就是通過空心鑽杆的取芯機構,鑽到月球表面兩米深以下處,得到深層樣品的層理信息;表取就是採用機械臂末端固定鏟挖型采樣器,進行表層和次表層月壤採集。

機械臂和鑽頭精確配合,兩種取樣方式同時進行,樣品的種類更為豐富,可靠性也會提升。

隨後就進入到了封裝環節。

由於月面幾乎是真空狀態,而地球表面環境中有氣體成分、固體顆粒,為避免月樣受到污染,航天科技集團五院 510 所研製了一種月樣密封封裝子系統。

據環球網報道:

這一系統能夠自動承接、封裝月球樣品,還具有密封功能的裝置。

另外對於封裝的方式,中國工程院院士、國家航天局原局長、探月工程首任總指揮欒恩傑有個形象的比喻——哈爾濱香腸:

因為地球和月球的環境是不一樣的,樣品不能在轉移到地球的時候受到污染,因此要把鑽取的岩芯裝進一個長長的包裹緊密封裝好,就像哈爾濱香腸一樣。

實際上他所形容的正是航天科技集團五院 529 廠設計的「雙管單袋方案」。鑽取到的樣品自動進入取芯軟袋,取芯軟袋的拉繩上提,經過封裝,軟袋就被放入了封裝裝置內。

完成了取樣、打包後,嫦娥五號接下來要做的是一件儀式感滿滿的事情:升國旗。

嫦娥五號的月面 48 小時

由於宇宙中存在很強的電磁輻射,而月球表面溫差也極大(最大溫差可達到 310 攝氏度),普通旗幟很可能會出現褪色、串色甚至分解的情況。

也就是說,環境決定了月面五星紅旗材質的特殊性。科研團隊經過大量的理論研究和實際試驗,發現單一纖維和紡織工藝都無法滿足環境要求。國旗展示系統技術負責人程昌表示:

在選材上花費的時間超過 1 年,挑選出了二三十種纖維材料,通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等試驗,最終選用了一種新型復合材料。

確定了旗面材質,還有一個問題——旗杆。旗杆不僅要能克服環境難題、保證可靠性,在重量上也要盡量輕。

而要在月球上展示國旗也並非易事。據科技日報報道:

系統立項初期,科研團隊設計了多種展示形式,比如記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機構展示方案等通過卷軸形式展開國旗,以及以摺扇形式展開國旗方案。高低溫試驗表明,只有卷軸形式展開的國旗比較平整,不會出現褶皺等情況。

經過科研團隊的努力,國旗展示系統成型,整個系統重量在 1 公斤以內,其中國旗重量僅 12g,國旗尺寸為 2000 毫米×900 毫米。

終於,五星紅旗在月球升起,這是繼嫦娥三號、四號任務後五星紅旗又一次展現在月表,也是五星紅旗的首次月表動態展示。

嫦娥五號的月面 48 小時

隨後又到了另一個重要環節:月面起飛。

這一次,着陸器扮演着上升器「臨時塔架」的角色,相比地面發射塔架自然不夠成熟;而上升器也面臨着不少挑戰,比如:起飛初始基準與起飛平台姿態不確定、發動機羽流導流空間受限、地月環境差異。

12 月 3 日 23 時 10 分,上升器 3000N 發動機工作約 6 分鍾,在經歷了垂直上升、姿態調整和軌道射入後,攜帶樣品的上升器進入了預定環月軌道。

這是我國首次實現地外天體起飛,嫦娥五號在月面高難度的 48 小時工作也全部完成。

靜待嫦娥歸來

截至目前,嫦娥已告別月球,約 20 天後,其返回器將着陸於內蒙古四子王旗,最終完成使命。

隨後,嫦娥五號還要經歷交會對接與樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收四個階段,面臨着種種考驗,其中可預見的三點最大的難題在於:

  • 此前我國的空間自主交會對接工作都是在地球軌道上進行的,相比地球軌道,月球軌道附近的地面站、人造衛星提供的服務資源少了很多,因此月軌對接是一大難題。

  • 為防止月壤樣品在再入過程中受影響,嫦娥五號還將進行一次月軌樣品封裝。

  • 由於月地間的距離遙遠,在返回地球時,火箭的溫度會隨着速度不斷上升,在進入地球大氣層時可能會因為溫度問題再入失敗。

當前,成功從月球上「挖土」回來的國家只有前蘇聯和美國,而上一次任務迄今已經過去了 44 年。

嫦娥五號的月面 48 小時

【阿波羅 15 號採集到的樣本】

為期 23 天、跨越近 80 萬公里的征程,是我國探月工程「繞-落-回」的最終章,也是航天事業的新跨越,中國人離載人登月和建立月球基地又近了一步。

靜待嫦娥回家。

來源:cnBeta