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攜帶 2 公斤珍貴月壤的嫦娥五號,即將結束 “太空之旅”,在內蒙古中部草原的四子王旗著陸場著陸!

嫦娥五號回家方式:打水漂

嫦娥五號回家的方式非常獨特,具體來說就是嫦娥五號的返回器會先以高速進入地球大氣層,然後藉助大氣層提供升力跳起來,之後再重新進入到地球大氣層,返回地面,專業輸入叫做:高速再入軌道技術

太空中沒有大氣層,因此返回艙在返回時速度非常快,以至於在進入大氣層時的速度接近第二宇宙速度,超高速度會使得返回艙與空氣發生劇烈摩擦,甚至有燃燒殆盡的風險。

而 “打水漂” 的好處則可以使得返回器高速進入大氣層時,會削減一些速度,使返回艙的速度降低到第一宇宙速度。儘管如此,返回器仍舊會與空氣發生劇烈摩擦,使其表面溫度最高達 2000 多℃,如果高溫傳入到返回艙內部,將會對嫦娥五號挖掘的月球岩石和土壤產生不利影響。

為此,嫦娥五號的工程師們特意設計了一個返回器,返回器的側面有一個洞,洞裡面有推力器,在大氣層飛行時,返回器不僅會受到阻力,也會有一點點升力,憑藉著這種方式,返回器才能成功實現半彈道跳躍方式返回。

最終,在距離地面較近時開啟降落傘,按照預定的計劃在內蒙古四子王旗著陸場預定地點進行著陸。

為什麼選擇四子王旗作為著陸點?

據瞭解,內蒙古四子王旗著陸場是我國神舟載人返回艙的主要著陸場,在此之前已經執行過多次任務。嫦娥五號之所以也選擇這裡著陸,是因為內蒙古四子王旗著陸場有其他地區不具備的優點。

首先是人口密度低,每平方公里人口不超過 10 人,這意味著很難砸到人;其次是場地開闊,防止返回器因為特殊地形而撞壞,而當地幾乎沒有大江大河,非常適宜著陸;第三,地勢平緩,有利於增加搜尋工作人員的視野,能夠從遠處就能夠看到返回艙的蹤跡;第四,天氣好,內蒙古四子王旗全年降雨稀少,晴朗天氣較多,非常有利於返回艙的降落;第五,地表足夠堅硬,返回器著陸之後不至於深陷地表之下。

嫦娥五號的多個 “首次”

作為我國探月工程 “繞、落、回” 三步走中的收官之作,嫦娥五號有望實現我國航天史上多個 “首次”。

首次月面自動取樣與封裝

作為此次任務的核心關鍵之一,月球表面自動取樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。在這個階段,嫦娥五號探測器將在月面選定區域著陸,並採集月壤,實現我國首次月面自動取樣與封裝。

為此,中國航天科技集團五院的設計師們為嫦娥五號精心設計了兩種 “挖土” 模式:鑽取和表取。當嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面後,就會開始為期兩天的月面工作,採集約 2 千克月壤並密封封裝,經月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移與再入回收等過程將月球樣品安全送回地球家園。

首次月面起飛上升

當嫦娥五號探測器完成月面工作後,就要踏上 “回家” 的旅程。回家第一步如果順利邁出,將會突破我國航天史上另一個首次 —— 月面起飛上升。嫦娥五號順利完成月壤取樣封裝後,上升器就要準備月面點火起飛了。運載火箭在地球起飛是有一套完備發射塔架系統的。月面起飛就不一樣了,由於月球表面環境複雜,這給著陸器起飛帶來了很大難度。此外,嫦娥五號在月面起飛必須依靠自身力量實現起飛時的自主定位、定姿。

首次實現月球軌道交會對接

當著陸器託舉上升器實現月面起飛上升後,嫦娥五號一路飛奔而去。但僅依靠上升器是不可能實現返回地球的,它需要飛到月球軌道上與軌返組合體交會對接,把採集到的月壤轉移到返回器。然而,在 38 萬公里外的月球軌道上實施無人交會對接不僅在我國尚屬首次,在人類航天史上也是第一次。

首次帶月壤高速再入返回地球

當返回器帶著月壤從 38 萬公里遠的月球風馳電掣般向地球飛來,這時它的飛行速度接近每秒 11 公里的第二宇宙速度,一般從近地軌道返回的航天器速度則大多為每秒 8 公里的第一宇宙速度。這每秒 3 公里的差距給航天器再入返回地球帶來巨大難度,一旦速度過猛,返回器就會一頭撞向地球。

因此,在這一過程中必須讓返回器減速飛行。對此,科研人員創新提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在太空打水漂一樣,讓返回器先是高速進入大氣層初次減速,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,然後再入大氣層二次減速,最後返回地面,確保嫦娥五號安全順利降落。

嫦娥五號的國際關注

薩伐黎耶夫說:“中國國家航天局完成了一次月球探測器取樣返回任務中的落月環節,這是中國航天事業上真正的歷史性事件,是中國太空探索史上的首次。” 他還祝願嫦娥五號探測器能夠成功將月球土壤樣本帶回地球,圓滿完成中國的科學計劃。他還表示,月球研究仍然是所有國家太空計劃的優先事項,俄羅斯與中國定期討論在這一領域的發展合作。

當地時間 12 月 1 日晚,歐洲空間局在社交媒體上分享了嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面預選著陸區的訊息,並向中國國家航天局表示祝賀。歐空局還表示,透過其全球跟蹤站網路,歐空局為嫦娥五號探測器提供了技術支援。

在嫦娥五號發射之後,歐空局位於法屬蓋亞那的庫魯地面站曾對其進行數小時的追蹤。而在嫦娥五號返回地球的時候,歐空局將透過位於西班牙的馬斯帕洛馬斯地面站接收訊號。

斯帕洛馬斯航天中心主任 拉斐爾 薩哈貢 施瓦茲在接受採訪時講到:“我們將再次擔任重要工作,我們將用我們的直徑為 15 米的天線,對中國嫦娥五號探測器進入大氣層進行追蹤。我想強調的是,這個追蹤是非常重要的,因為知道探測器進入大氣層的確切切入點,就可以知道探測器著陸的具體方位。”

另外,美國國家航天局(NASA)級別最高的科學官員托馬斯 祖爾布琴博士(Dr Thomas Zurbuchen)也在境外社交媒體平臺推特上對嫦娥五號成功落月表示祝賀。他稱這並非易事,當從月球上收集的樣本被送回地球后,希望所有人都能從對這種可促進國際科學界進步的寶貴貨物進行的研究中受益。在嫦娥五號成功發射升空當天,祖爾布琴也曾發推文向中國表達祝賀。

驚心動魄的 23 天 “探月之旅”

發射入軌階段

2020 年 11 月 24 日 4 時 30 分,在中國文昌航天發射場,透過長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器,火箭飛行約 2200 秒後,順利將探測器送入預定軌道,開啟我國首次地外天體取樣返回之旅。

地月轉移階段

11 月 24 日 22 時 06 分,嫦娥五號探測器 3000N 發動機工作 約 2 秒鐘,順利完成第一次軌道修正,繼續飛向月球。

本次嫦娥五號任務發射入軌精度較高,軌道修正量很小。嫦娥五號探測器在飛行過程中,受多種因素影響,會產生軌道偏差,需要根據測定探測器實際飛行軌道與設計軌道之間的偏差,完成對應的探測器軌道控制,確保探測器始終飛行在適當的軌道上。

截至第一次軌道修正前,嫦娥五號探測器各系統狀態良好,在軌飛行約 17 個小時,距離地球約 16 萬公里。

11 月 25 日 22 時 06 分,嫦娥五號探測器兩臺 150N 發動機工作約 6 秒鐘,順利完成第二次軌道修正。

截至第二次軌道修正,嫦娥五號探測器在軌飛行約 41 小時,距離地球約 27 萬公里,探測器各系統狀態良好,地面測控通訊各中心和臺站跟蹤正常。

近月制動階段

11 月 28 日 20 時 58 分,嫦娥五號探測器經過約 112 小時奔月飛行,在距月面約 400 公里處成功實施 3000 牛發動機點火,約 17 分鐘後,發動機正常關機。根據實時遙測資料監視判斷,嫦娥五號探測器近月制動正常,順利進入環月軌道。

近月制動是月球探測器飛行過程中關鍵的軌道控制之一。高速飛行的探測器在靠近月球時,實施 “剎車” 制動,目的是使其相對速度低於月球逃逸速度,從而被月球引力捕獲。嫦娥五號探測器在地月轉移過程中經歷了 2 次軌道修正,達到預期目標。

環月飛行階段

11 月 30 日 4 時 40 分,在科技人員精確控制下,嫦娥五號探測器組合體順利分離。探測器各系統狀態良好,地面測控通訊正常,軌道器和返回器組合體繼續在平均高度約 200 公里的環月軌道上飛行並等待上升器交會對接,著陸器和上升器組合體擇機實施月面軟著陸,進行自動取樣等後續工作。

著陸下降階段

12 月 1 日 23 時 11 分,嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經 51.8 度、北緯 43.1 度附近的預選著陸區,並傳回著陸影像圖。

12 月 1 日 22 時 57 分,嫦娥五號著陸器和上升器組合體從距離月面約 15 公里處開始實施動力下降,7500 牛變推力發動機開機,逐步將探測器相對月球速度從 約 1.7 公里 / 秒降為零。期間,探測器進行快速姿態調整,逐漸接近月表。此後進行障礙自動檢測,選定著陸點後,開始避障下降和緩速垂直下降,平穩著陸於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。

著陸過程中,著陸器配置的降落相機拍攝了著陸區域影像圖。成功著陸後,著陸器在地面控制下,進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設定工作,正式開始持續約 2 天的月面工作,採集月球樣品。

月面工作階段

12 月 2 日 4 時 53 分,探月工程嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鑽取取樣及封裝。探測器於 12 月 1 日 23 時許成功著陸月面後,開展了太陽翼展開、機構解鎖等相關準備工作。

著陸器和上升器組合體按計劃進行表取取樣,嫦娥五號探測器自動取樣任務採用表鑽結合,多點取樣的方式,設計了鑽具鑽取和機械臂表取兩種 “挖土” 模式。

12 月 2 日 22 時,經過約 19 小時月面工作,探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動取樣,並按預定形式將樣品封裝儲存在上升器攜帶的貯存裝置中。

月面上升階段

12 月 3 日 23 時 10 分,嫦娥五號上升器 3000N 發動機工作約 6 分鐘,成功將攜帶樣品的上升器送入到預定環月軌道。這是我國首次實現地外天體起飛。

與地面起飛不同,嫦娥五號上升器月面起飛不具備成熟的發射塔架系統,著陸器相當於上升器的 “臨時塔架”,上升器起飛存在起飛初始基準與起飛平臺姿態不確定、發動機羽流導流空間受限、地月環境差異等問題;另外由於月球上沒有導航星座,上升器起飛後,需在地面測控輔助下,藉助自身攜帶的特殊敏感器實現自主定位、定姿。

點火起飛前,著上組合體實現月面國旗展開以及上升器、著陸器的解鎖分離。此次國旗展開是我國在月球表面首次實現國旗的 “獨立展示”。

點火起飛後,上升器經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段,進入預定環月飛行軌道。隨後,上升器將與環月等待的軌返組合體交會對接,將月球樣品轉移到返回器,後者等待合適的月地入射視窗,做好返回地球的準備。

交會對接與樣品轉移階段

12 月 6 日 5 時 42 分,嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接,並於 6 時 12 分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國首次月球軌道交會對接。後續,嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器分離,擇機返回地球。

環月等待階段

12 月 6 日 12 時 35 分,嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器成功分離,進入環月等待階段,準備擇機返回地球。

月地轉移階段

12 月 12 日 9 時 54 分,嫦娥五號軌道器和返回器組合體經歷了約 6 天的環月等待,實施了第一次月地轉移入射,從近圓形軌道變為近月點高度約 200 公里的橢圓軌道。月地轉移入射的主要目的是透過月球軌道上的軌道機動,使軌道器和返回器組合體進入月地轉移軌道。

12 月 13 日 9 時 51 分,嫦娥五號軌道器和返回器組合體實施第二次月地轉移入射,在距月面 230 公里處成功實施四臺 150 牛發動機點火,約 22 分鐘後,發動機正常關機。根據實時遙測資料監視判斷,軌道器和返回器組合體成功進入月地轉移軌道。

後續,攜帶月球樣品的嫦娥五號軌道器和返回器組合體將在月地轉移過程中進行中途軌道修正,並擇機實施軌道器和返回器的分離。

12 月 14 日 11 時 13 分,嫦娥五號軌道器和返回器組合體上兩臺 25N 發動機工作約 28 秒鐘,順利完成第一次月地轉移軌道修正。目前,攜帶月球樣品的嫦娥五號軌道器和返回器組合體各系統狀態良好。

再入回收階段

12 月 15 日 15 時 18 分,嫦娥五號著陸地 - 四子王旗著陸場準備就緒,各項工作已就位。

中國探月工程全回顧

20 世紀六七十年代,美國和前蘇聯先後實現有人和無人月球取樣返回。嫦娥五號任務透過在預定著陸區域開展取樣,以及月面科學探測和後期月球樣品綜合分析,有望在月球形成過程、地質演變等方面取得新的科學認知。

2004 年,我國探月工程立項實施,確定了 “繞、落、回” 三步走戰略規劃。九天攬月星河闊,十六春秋繞落回。16 年來,中國探月工程五戰五捷,碩果累累。

2007 年 10 月 24 日,嫦娥一號發射成功,在軌有效探測 16 個月,首次實現我國自主研製的衛星進入月球軌道並獲得全月圖。實現我國探月工程第一步戰略目標。

2010 年 10 月 1 日,嫦娥二號作為二期工程先導任務發射成功,為嫦娥三號詳勘了落月區域,驗證了部分關鍵技術,獲得了世界上首幅 7 米解析度全月圖;拓展任務實現飛赴日地 L2 點開展探測,與圖塔蒂斯小行星近距離交會。

2013 年 12 月 2 日,嫦娥三號踏上奔月之旅。12 月 14 日成功軟著陸在月球表面,隨後,著陸器與 “玉兔號” 月球車完成互拍並將影象傳回地面,實現我國探月工程第二步戰略目標。

2014 年 10 月 24 日,探月工程三期再入返回飛行試驗器從地球出發,成功繞月後,11 月 1 日,返回器以半彈道跳躍方式再入地球大氣層,安全精確著陸,為嫦娥五號任務奠定了堅實技術基礎。

2018 年 5 月 21 日,嫦娥四號任務的中繼通訊衛星 “鵲橋” 發射成功。“鵲橋” 穩定執行在地月引力平衡點軌道,解決了月球背面與地球的通訊問題。同年 12 月 8 日,嫦娥四號探測器從地球啟程,於 2019 年 1 月 3 日成功著陸在月球背面南極 — 艾特肯盆地馮 卡門撞擊坑的預選著陸區,實現人類探測器首次月球背面軟著陸。

2020 年 11 月 24 日 4 時 30 分探月工程三期收官之戰嫦娥五號探測器的成功發射,中國探月工程在空間科學探測領域已實現多個 “首次”。

如獲取了解析度 7 米全月圖;獲得了首幅月球正面和背面地質剖面圖;月球背面甚低頻天文觀測填補了國際空白。我國還獲得了大量月球地質、環境、形貌等原始科學資料,帶動了空間物理、空間天文、行星科學等基礎學科的發展,推動我國月球科學研究向世界先進水平邁進。

月球科研站已在路上

目前我國正在規劃嫦娥六號、七號、八號任務。嫦娥六號任務將根據嫦娥五號任務情況,確定在月球正面或背面南極附近實施取樣返回。嫦娥六號任務預計在 2023 年至 2024 年實施。

中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁表示,我國探月工程四期將構建月球科研站基本型,這一基本型由執行在月球軌道和月面的多個探測器組成。

在 11 月 25 日閉幕的 2020 文昌國際航空航天論壇上,吳偉仁說,基本型將具備月球科學技術研究、資源開發利用技術驗證的能力,並與國際同行合作,建設國際月球科研站。

吳偉仁還表示,在我國探月工程四期的月球極區探測任務規劃中,嫦娥七號將對月球南極地形地貌、物質成分、空間環境等進行綜合探測。嫦娥八號除繼續開展科學探測試驗外,還將進行關鍵技術的驗證。

國際月球科研站是指由多國參與,按照 “共商共建共享” 的原則, 在月面建設和運營的科學實驗實施,支援開展長期、較大規模的月球軌道與月面探測、天文與對地觀測、基礎科學實驗。

不知大家有沒有發現這樣一個變化:我國月球探測發展方式正從獨立自主走向開放合作,嫦娥四號首次搭載了多個國家的科學儀器,開展了中外聯合探測。

未來,我們將更多的開展國際合作。2019 年 4 月 18 日,國家航天局在北京交接了嫦娥四號國際載荷科學資料,併發布嫦娥六號及小行星探測任務合作機遇公告,向國內院校、民營企業和國外科研機構進行徵集。

編審:王新凱

排版:範遙

參考資料:

1.https://new.qq.com/omn/20201209/20201209A07T9O00.html

3.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758844/n6760243/n6760249/c6810641/content.html

4.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758844/n6760026/tu_index.html

6.https://www.zhihu.com/question/432898394/answer/1605906116

7.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758844/n6760243/n6760249/c6810583/content.html

8.https://weibo.com/u/6528178851?is_all=1

9.https://xw.qq.com/cmsid/20200911A0C8QO00

10.http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/12/450208.shtm

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