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嫦娥五号任务为何复杂,为将来建设月球空间

年11月24日凌晨4时30分,长征五号“胖五”运载火箭点火升空,托举嫦娥五号探测器至地月转移轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥奔月千年神话梦想成真。

嫦娥五号从发射升空、月球取土采样回地球,采用11个阶段的复杂旅程。其中的最难就是轨道器的绕月飞行,等待上升从月球升起到同步轨道进行对接,并以第二宇宙速度返回地球。如果把轨道器换成天宫一样的空间站呢?这是不是在为建设月球空间做准备呢?之前玉兔号、鹊桥号和嫦娥五号,分别完成了月球探测和月球土壤岩石的采样工作,这是否是为建立月球基地做准备呢?

目前为止,中国这次航天史上最为复杂的任务有什么特点?究竟有多复杂?带着以上的问题,我们逐步的分析。

中国探月工程“绕、落、回”三步走战略中,嫦娥五号则是收官之作。嫦娥五号任务将实现月球表面自主采样并返回,标志着我国将完成探月工程“三步走”战略规划的收官之作:回。同时又是我国未来月球探测的奠基之作,将为我国未来载人登月探测与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础,是我国航天历史的的一次重大跨越和突破。也是为驻外星球建造永久基地做好战略储备。

长征五号,江湖人称“胖五”,总长56.97米,起飞质量吨,绝对大块头。目前,在长征火箭家族中,只有长征五号火箭的运载能力可以将8吨的载荷直接送入地月转移轨道。

嫦娥五号探测器公斤,我国最重的航天探测器、由四大器组成的“叠罗汉”造型。

嫦娥五号探测器由四部分组成,从上到下依次是上升器、着陆器、返回器和轨道器,很像叠罗汉一样叠在一起。

这四个器的功能从名字上大致就能理解:上升器主要携带样品从月球表面起飞;着陆器要在月球表面着陆;返回器的功能是携带月球的样品返回地球;轨道器主要承担各个不同的轨道上飞行的功能。

嫦娥五号的整个旅程,从南昌航天中心发射,由长征五号火箭推至地月转移轨道,再飞行并降落至月球,采取月球样本后,再返回环月飞行轨道,然后再返回地球,预计降落在我国北部内蒙古的四子王旗。如此复杂的过程,要历时23天,并可以详细分为11个阶段。

第一阶段:发射入轨。嫦娥五号将由运载火箭发射,进入到地月转移轨道的飞行阶段,开启探月返回的旅程。

第二阶段:地月转移。嫦娥五号完成器箭分离,并展开相应太阳翼,逐步进入预定轨道。地月转移段飞行时间大约为个小时,为了确保探测器按照预定轨道顺利到达近月点,这期间要进行多次中途修正。

第三阶段:近月制动。嫦娥五号继续在目标环月飞行轨道正常行进,并在近月点进行减速制动,以合适的运动速度进入到环月圆轨道,最终进入的轨道距离月面公里左右,近月制动时段长达1天。

第四阶段:环月飞行。嫦娥五号在环月飞行轨道中行进到动力下降初始点,并在该阶段完成轨道返回组合体和着陆上升组合体的分离,着陆上升组合体分离后要进行降轨、变轨,轨道返回组合体将继续环月飞行,等待上升器的到来。

第五阶段:着陆下降。嫦娥五号着陆上升组合体将从下降初始点开始进行月面软着陆,并经过主减速段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段和自由下落段等多个阶段,寻找合适的月面完成软着陆,整个着陆下降的过程将维持15分钟左右。

第六阶段:月面工作。嫦娥五号着陆上升组合体将在月面停留约2天,完成设定任务。通过有效载荷设备完成月面科学探测,通过采样封装设备完成月壤的钻取、表取以及封装。月面工作的时间非常紧张,仅有2天的时间,与此同时,着陆上升组合体与轨道返回组合体必须同时进行下一个阶段的准备工作,为月球轨道交会对接和样品的转移做好万全的准备。

第七阶段:月面上升。上升器将经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入到相应的环月飞行轨道,此次月面发射的窗口期很短,上升器和轨道返回组合体要精准考虑测控需求、光照需求以及姿态控制要求,以确保交会对接的顺利完成。

第八阶段:交会对接与样品转移。从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程导引技术,上升器与轨道返回组合体逐步完成交会对接,上升器中存放的月球样品通过轨道器转移到返回器中。

第九阶段:环月等待。嫦娥五号轨道返回组合体从对接舱分离并进入月地入射点,在环月等待段飞行过程中,轨道返回组合体进行1次轨道维持,等待月地入射窗口的到来,全力以赴做好返回地球的准备。

第十阶段:月地转移。嫦娥五号轨道返回组合体带着月球采样产品从月球满载而归,经历多次中途修正之后,在距离地球公里高度处,实现轨道器和返回器的分离,返回器即将重新投入地球的怀抱。

第十一阶段:再入回收。嫦娥五号返回器与轨道器分离后,轨道器进行规避机动,返回器则要经历惯性滑行、地球大气再入、回收着陆三个阶段完成最后的降落。返回器首先以第二宇宙速度冲向地球,在进入地球大气后,通过半弹道跳跃式再入返回技术重新跳出大气层,再以第一宇宙速度进行降落,最终返回器打开降落伞,平稳安全地降落在预定地点。

重点来说第六、八、九三个阶段。

第六阶段,这和建设月球基地密切相关,月球无大气层,温差大,驻人基地则成本太高,且风险高。那么建立无人基地则很有必要。而建月球基地,势必要先了解月球,然后才能规划建立月球基地,建立基地的价值当然是开发月球。

探测收集月球数据,已由玉兔一号、玉兔二号、鹊桥号联合完成;对月球的勘探及土壤和岩石开采,则由嫦娥五号来完成,而且均是无人控制自主作业。只要建立条件成熟了,月球基地也就水到渠成。

第八九阶段:交会对接、样品转移和环月等待。这个等待是最美好的等待,就像一场美妙的约会一般,也是最值得幻想的等待。在着陆器登录月球挖石头时,轨道返回器要绕月飞行,等待与上升器从月球来对接。这时轨道返回器,就像一个月球空间站一样,只是还没有天宫空间站那么大。实际上轨道返回器,基本上完成了月球空间站的所有工作,轨道器可以说是微型“天宫”一样的空间站。这也是为后来的月球空间站做好一切准备,万事俱备,只欠东风。

从以上可以看出本次嫦娥五号任务的复杂性,但一切付出都是值得的。今天的努力给明天打下坚实的基础,付出总有收获。

不过,中国航天人也确实艺高人胆大,才会做这么复杂的方案。下面就来看看本次任务的超级难点。

1、交会对接对于控制精度要求很高,两个航天器的相对位置误差不能超过5厘米。

2、此次交会对接的上升器与轨返组合体重量差异很大,上升器重量约为三四百公斤,轨返组合体则将近0公斤。这样一来就不能采用一定速度的碰撞式对接,而要在两个航天器相对速度为零的状态下进行对接,这就对航天器的姿态、控制等提出了更高要求。

3、当返回器带着月壤,从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,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。一旦速度过猛,返回器一头撞向地球,后果不堪设想。

4、采用的就是半弹道跳跃式再入返回技术方案,专家将其比作“太空打水漂”,整个再入返回过程就是让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面。整个过程环环相扣,确保嫦娥五号能安全顺利地降落在四子王旗着陆场。




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