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嫦娥五号开启月球“挖土”之旅

来源:经济日报2020-11-25 09:44

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  西昌卫星发射中心文昌发测站副站长、嫦娥五号任务01指挥员胡旭东(前中)和同事们在庆祝发射成功。记者 高兴贵摄

  长征五号遥五运载火箭准备发射升空。记者 高兴贵摄

  11月24日,我国成功发射探月工程嫦娥五号探测器。这是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战,计划实现三大工程目标:一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装等关键技术,提升我国航天技术水平;二是实现我国首次地外天体自动采样返回,推动我国科学技术重大进步;三是完善探月工程体系,为我国未来开展载人登月与深空探测积累重要人才、技术和物质基础。

  “通过嫦娥五号任务牵引,我国将掌握比较完整的无人月球探测技术,为未来的空间科学和空间应用奠定坚实基础,对于提升我国航天科技水平,推动我国自主创新具有重要意义。”国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇说。

  奔月之旅步步创新

  嫦娥五号由轨道器、返回器、着陆器、上升器四大部分共15个分系统组成,是中国首个实施无人月面取样返回的航天器。发射成功后,嫦娥五号将经过11个飞行阶段,共计20余天的在轨飞行过程,采集约2千克月球样品返回地球。

  专家介绍,本次嫦娥五号的科学探测任务主要是开展着陆点区域形貌探测与地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品开展系统长期实验室研究,分析月壤结构、物理特性、物质组成,深化月球成因与演化历史研究。

  作为我国探月工程“绕、落、回”三步走中的收官之作,嫦娥五号有望实现我国航天史上多个“首次”。

  首次月面自动采样与封装。作为此次任务的核心关键之一,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,嫦娥五号探测器将在月面选定区域着陆,并采集月壤,实现我国首次月面自动采样与封装。为此,中国航天科技集团五院的设计师们为嫦娥五号精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。当嫦娥五号着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面后,就会开始为期两天的月面工作,采集约2千克月壤并密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移与再入回收等过程将月球样品安全送回地球家园。

  首次月面起飞上升。当嫦娥五号探测器完成月面工作后,就要踏上“回家”的旅程。回家第一步如果顺利迈出,将会突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。嫦娥五号顺利完成月壤采样封装后,上升器就要准备月面点火起飞了。运载火箭在地球起飞是有一套完备发射塔架系统的。月面起飞就不一样了,由于月球表面环境复杂,这给着陆器起飞带来了很大难度。此外,嫦娥五号在月面起飞必须依靠自身力量实现起飞时的自主定位、定姿。

  首次实现月球轨道交会对接。当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,嫦娥五号一路飞奔而去。但仅依靠上升器是不可能实现返回地球的,它需要飞到月球轨道上与轨返组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。然而,在38万公里外的月球轨道上实施无人交会对接不仅在我国尚属首次,在人类航天史上也是第一次。

  首次带月壤高速再入返回地球。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,这时它的飞行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度,一般从近地轨道返回的航天器速度则大多为每秒8公里的第一宇宙速度。这每秒3公里的差距给航天器再入返回地球带来巨大难度,一旦速度过猛,返回器就会一头撞向地球。因此,在这一过程中必须让返回器减速飞行。对此,科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,让返回器先是高速进入大气层初次减速,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再入大气层二次减速,最后返回地面,确保嫦娥五号安全顺利降落。

  月球“挖土”科学价值巨大

  月球表面有一层广泛分布的厚2米至15米的月壤,对地球上的人来说,其蕴藏着巨大科学价值。据中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙介绍,“月壤中有大量月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要信息”。

  此外,月壤还拥有丰富资源。专家介绍,科研人员通过研究发现,月壤中含有大量微小橘红色玻璃形式颗粒,这些颗粒一般富含铝、硫和锌。通过对样品的实验与分析证实,月壤和月岩中氧化铁的含量也很高,从中可以制取水和氧,未来可利用月面物质支持月球基地运行,并为登月飞行器补充燃料。更重要的是,科学家还在采回的样品中发现了核聚变理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模,月球上的氦-3用于核聚变发电后,能够满足人类约1万年的能源需求。此外,由于月壤处于月球最表层,具有松散、细颗粒与易于开采的特点,是未来月球科研站建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。

  此次嫦娥五号的任务目标是从月球上带回约2千克月壤。据裴照宇介绍:“这是综合考虑科研需求与运载火箭能力等多方面因素而设定的指标。”具体来说,通过表取的方式在月表采集1.5千克样品,采样机构重几十公斤;通过钻取的方式采集0.5千克样品,采样机构重七八十公斤。这100多公斤采样机构都要由探测器运送到月球表面,对火箭运载能力是个巨大考验。“这次任务最重要的目标是采样返回,采到样品,返回地球,就是成功!当然,既然设计了2千克这一指标,我们会努力争取实现。”裴照宇说。

  2020年最有“分量”的发射

  此次托举嫦娥五号一飞冲天的是被大家亲切称为“胖五”的长征五号遥五运载火箭。它是我国新一代大推力低温液体运载火箭,其地球同步转移轨道(GTO)运载能力可达14吨,是目前我国运载能力最大的火箭。嫦娥五号月球探测器重达8.2吨,需要进入近地点200公里、远地点41万公里的地月转移轨道,对运载火箭的能力提出了较高要求。“在长征火箭家族中,只有长征五号运载火箭能将这么重的载荷直接送入地月转移轨道。”长征五号火箭第一总指挥、中国航天科技集团一院党委书记李明华说。

  据中国航天科技集团一院长征五号系列运载火箭总设计师李东介绍,为确保火箭准时发射,研制团队采用了变射向、变滑行时间的多轨道奔月发射方案,针对50分钟发射窗口设计了5条发射轨道,每条轨道对应10分钟的发射窗口。在发射窗口期内,可根据发射时间通过软件自动选择发射轨道,为长征五号火箭实现“零窗口”发射奠定了基础。

(记者姜天骄)

[ 责编:涂子怡 ]
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