嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

11月24日凌晨,长征五号运载火箭携嫦娥五号月球探测器在文昌发射升空,在这次 " 取土之旅 " 之旅中,嫦娥五号将有望实现我国航天史上的多个“首次”——首次月面自动采样、首次月面起飞上升、首次实现月球轨道交会对接、首次带月壤高速再入返回地球等。

嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

很多小伙伴先总结了一下,嫦娥一号和二号是“一件套”,三号是“两件套”,四号是“三件套”(鹊桥中继星和主任务分两次发射)……嫦娥五号居然有“四件套”?

嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

嫦娥五号整体图。图片来源:中国军网

要把月壤带回家,这“四件套”各有各的任务,总之,很拼。

月球表面自动采样封装,是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段,嫦娥五号将在月面选定区域着陆,并且“钻”“铲”“挖”“夹”十八般武艺齐上阵,实现我国首次月面自动采样。来自中国航天科技集团五院的设计师们采用表钻结合、多点采样的方式,设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。嫦娥五号将在为期2天的月面工作中,采集约2公斤月壤并进行密封封装。

嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

钻孔采岩芯。图片来源:New China

提到封装,又是一个难点。

封装可以分为月面封装与月轨封装两个不同的任务。

在月面上的封装,是对于月壤而言的,嫦娥五号的机械臂在采集月壤样本之后,将其通过一系列方式送入上升器中,进行第一次封装,防止其在离开月球的过程中出现损耗。第二次封装则是上升器的月壤转移到再入器中,来保护月壤样品不受再入时恶劣环境的影响。

封装工作最重要的要求就是严丝合缝,完全地密封。这次封装工作的难点在于它是完全无人操作的——以往的再入器,要么不打开封装盖(返回式生物卫星、无人飞船),要么是有人飞船,航天员能够进行细致的检查。在没有人的情况下,要想全自动地实现月壤“采集-包装-转移-封装”一条龙服务,难度可想而知。

到了“月面起飞上升”的阶段。完成月面工作后,嫦娥五号的“回娘家”之路也不是件简单的事情。

众所周知,运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的,点火起飞位置也经过了精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。可在月球上,没有一马平川的起飞地,更没有成熟完备的发射塔架,着陆器就相当于上升器的发射塔架,托举着嫦娥五号回家。而月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,这就给起飞带来很大难度。

此外,还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞的时候,还无法像运载火箭一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认,必须依靠航天器 " 自力更生 ",实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升,中国航天的嫦娥研制团队进行了大量的试验验证,并建立了一整套环环相扣的系统保证任务,为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。

如何把月壤运回地球?如果要上升器自己从月球起飞直接飞回地球的话,那上升器的设计复杂度和重量都要相应飙升,更何况,嫦娥五号还打算挖2公斤的土。所以嫦娥五号采用了类似阿波罗载人登月用的方式来转移样品:交会对接。

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上升器和轨道器交会对接。图片来源:New China

在月球轨道进行交会对接的工作,也是这次任务的重点之一。

以往我国几次交会对接都是在距离地球几百公里轨道上实现的,而这一次,技术难度更高。

嫦娥五号探测器将在距离地球几十万公里外的环绕月球轨道上进行交会对接任务。交会对接的时候,两个航天器的相对位置要控制在误差不能超过5厘米。除了月球引力环境的影响以外,交会对接过程中由于两个航天器的重量差异很大,一旦速度控制出现偏差,就会造成两器相撞从而导致对接的失败。因此,研制人员量身打造了一套全新的对接机构,共有三套。每一套机构都要首先张开像人的双臂,张开以后抱住对面的单杠,然后再拉紧,再收拢把它抱紧。

嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

不仅如此,嫦娥五号的无人交会对接,在此之前没有过先例。同时,由于交会对接的轨道距离地球较远,因此就需要雷达、光学相机等更多的设备和系统,为精准实现交会对接提供帮助。

返回器带月壤高速再入返回地球,还得“跳”一下。当返回器带着月壤,从38万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来,这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度,如果继续以这样的速度返回地球,返回器和样品要承受高温和过载等多重挑战。所以为了保证它们的安全,将通过跳跃式的再入方式返回地面。

嫦娥五号探测器总体主任设计师舒燕介绍:“我们需要一个气动减速的方式,通过它减速以后,我们能够像神舟飞船似的,有一个相对小的速度再入大气层,然后成功返回地球,就跟咱们打水漂一样,先从水面上漂了一下,然后起来之后再进到水里去。”

嫦娥五号“捎特产”这场跨星球“快递”到底多难?

返回舱再入地球大气层。图片来源:New China

这个“快递小哥”可不好当,各种细节贯穿着这次嫦娥五号任务的始终,其中任何一环出了问题,都将对任务造成“功亏一篑”的影响。也正因如此,“嫦娥五号”成为了我国迄今为止最为复杂的航天任务。各个部门的“航天人”用完备的论证、充分的实验、辛勤的汗水,凝结成嫦娥五号的战衣,带着我们的希望,伴随它前往这漫漫的征途……期待嫦娥五号后续精彩旅程,期待荣耀归来的那一刻!

(大众网·海报新闻编辑 王雨萌 综合新华网、央视、中国军网、解放日报、中国青年报、New China、中国科普博览、科普中国)

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