最近一段時間,嫦娥五號探測器幾乎吸引了所有人的眼球,這是人類時隔44年之後,再度在月球表面取樣並帶回地球,是我國複雜度最高、技術跨度最大的一次航天系統工程。
歷經23天之後,探月工程嫦娥五號在北京時間12月17日1時59分於內蒙古四子王旗預定區域成功著陸,圓滿完成了月球取樣任務。
嫦娥五號一路走來克服了無數艱難險阻,也被稱為是中國航天史上難度最大任務之一,尤其是嫦娥五號回家的方式,以接近於11公里/秒的速度衝入了地球大氣層,使其表面溫度高達2000多℃,一不小心就有可能發生“燃燒”。
但在當初升空地球的時候,嫦娥五號並沒有遭遇這樣的高溫。那麼同樣是穿過地球大氣層,為什麼嫦娥五號返回時會燃燒,而升空為什麼不會呢?
嫦娥五號探測器的升空。北京時間11月24日4時30分,嫦娥五號探測器由長征五號遙五運載火箭(俗稱胖五)成功在中國文昌航天發射場發射升空,本次執行任務的嫦娥五號探測器整體重達8.2噸。
據悉,這是長征五號系列運載火箭的第二次應用性發射,而長征五號火箭是我國目前運載能力最強的火箭,其近地軌道的運載能力高達25噸,地火轉移軌道的運載能力為6噸,地月轉移軌道的運載能力為8.2噸。
這是為了運送探月工程嫦娥五號探測器至地月轉移軌道,我國首次進行的地外天體取樣返回任務。
另外,長征五號火箭運送嫦娥五號探測器的時候並不會大幅度的加速,而加速過程是在太空進行的,因為太空中的空氣阻力特別小,幾乎可以忽略不計。
一般火箭、衛星如軌所需的速度都是在太空中加速完成的,因此嫦娥五號探測器在升空時並不會有“燃燒”的風險。
嫦娥五號23天的太空之旅。北京時間11月24日凌晨,嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場成功發射升空,在進行了2次軌道修正、2次近月制動,順利進入了環月圓軌道。
之後,嫦娥五號探測器又經歷了組合體分離、環月降軌以及動力下降,著陸器和上升器組合體於12月1日在月球正面預選區域進行了著陸並開展了取樣工作。
北京時間12月3日23時10分,嫦娥五號上升器3000N發動機點火起飛,成功將攜帶樣品的上升器送入預定環月軌道。
北京時間12月6日5時42分,嫦娥五號成功完成了與軌道器和返回器組合體之間的交會對接,並於6時12分將樣品容器安全轉移到了返回器中,實現了中國首次月球軌道上的交會對接。
北京時間12月8日6時59分,嫦娥五號上升器離開軌道,於7時30分左右降落在月面經度0度、南緯30度附近的預選地點。
北京時間12月12日到16日,嫦娥五號軌道器和返回器的組合體在完成2次月地轉移入射、3次軌道修正後,嫦娥五號返回器於12月17日1時59分成功在預定區域內著陸,標誌著中國首次月球取樣任務成功完成。
嫦娥五號返回地球以“打水漂”的方式進行著陸。“打水漂”的遊戲相信大家應該都玩過,當你投擲一塊石頭於水中,石頭受力會在水面上一起一伏,蕩起漂亮的水花,石頭最後才會沉入水底並與河水融為一體。
而嫦娥五號“打水漂”的這種說法,指的就是嫦娥五號快速進入地球的大氣層,藉助大氣層的力“彈跳”起來,然後再進入大氣層,最終利用地球引力作用返回地面的一個過程。
這波操作在航天領域中有個專業術語叫“高速再入軌道技術”,其中大氣層給嫦娥五號的力就相當於石頭受水面的力。
嫦娥五號探測器的返回。北京時間12月17日凌晨1時左,北京航天飛行控制中心利用地面測控站對嫦娥五號軌道器和返回器的組合體進行了控制,讓其軌道器與返回器在距南大西洋海平面5000公里左右處實施解鎖分離。
到凌晨1時33分,嫦娥五號返回器在距離地面高度120公里左右處以接近第二宇宙速度(11.2千米/秒)的速度進入了地球大氣層,進行了首次氣動減速,之後下降到預定高度時,返回器再向上飛出大氣層,到達最高點之後再開始滑行下降,符合“打水漂”中的一起一伏。
然後在地球的引力作用下重新返回地球大氣層,進行第二次氣動減速,由於降落傘在距離地面過高時,起不到什麼作用,所以要在下降到地面一定高度時(大概10公里左右),返回器才能開啟降落傘穩定保持最後減速並於預定區域安全著陸,最後負責回收任務的技術人員開展回收工作。
為什麼嫦娥五號要這樣返回地球呢?相信大家應該都知道,太空中沒有大氣層的保護,所以嫦娥五號返回器在返回時,速度會特別快,但是這樣過快的速度會和空氣發生劇烈的碰撞和摩擦,表面溫度會因為碰撞摩擦而升高(氣動加熱效應),最後將會產生“燃燒”的風險。
之所以要使用“高速再入軌道技術”,是因為這對嫦娥五號來說將會實現返回器減速的一個效果,從而完美的避開“燃燒”的風險。
除此之外,其實在嫦娥五號返回器的外層也會有燒蝕材料,經它們燃燒之後會帶走大量的熱量,以此來確保返回器和月壤的安全。