嫦娥五号即将返回!历时23天,两公斤“广寒宫”土特产要带回来了

作者: 赵雅琦

来源: 学术头条

发布日期: 2020-12-16

嫦娥五号探测器成功完成月面采样并返回地球,实现我国首次月球采样返回任务。探测器在内蒙古四子王旗着陆场着陆,标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走战略圆满完成。此次任务不仅在技术上实现了多个“首次”,还引发了国际社会的广泛关注和祝贺。

携带2公斤珍贵月壤的嫦娥五号,即将结束“太空之旅”,在内蒙古中部草原的四子王旗着陆场着陆!据央视报道,日前,四子王旗着陆场系统已完成最后一次综合演练,各项准备工作就绪,全力迎接返回器平安回家。

嫦娥五号回家的方式非常独特,具体来说就是嫦娥五号的返回器会先以高速进入地球大气层,然后借助大气层提供升力跳起来,之后再重新进入到地球大气层,返回地面,专业输入叫做:高速再入轨道技术。

太空中没有大气层,因此返回舱在返回时速度非常快,以至于在进入大气层时的速度接近第二宇宙速度,超高速度会使得返回舱与空气发生剧烈摩擦,甚至有燃烧殆尽的风险。而“打水漂”的好处则可以使得返回器高速进入大气层时,会削减一些速度,使返回舱的速度降低到第一宇宙速度。

尽管如此,返回器仍旧会与空气发生剧烈摩擦,使其表面温度最高达2000多℃,如果高温传入到返回舱内部,将会对嫦娥五号挖掘的月球岩石和土壤产生不利影响。

为此,嫦娥五号的工程师们特意设计了一个返回器,返回器的侧面有一个洞,洞里面有推力器,在大气层飞行时,返回器不仅会受到阻力,也会有一点点升力,凭借着这种方式,返回器才能成功实现半弹道跳跃方式返回。最终,在距离地面较近时打开降落伞,按照预定的计划在内蒙古四子王旗着陆场预定地点进行着陆。

据了解,内蒙古四子王旗着陆场是我国神舟载人返回舱的主要着陆场,在此之前已经执行过多次任务。

嫦娥五号之所以也选择这里着陆,是因为内蒙古四子王旗着陆场有其他地区不具备的优点。

首先是人口密度低,每平方公里人口不超过10人,这意味着很难砸到人;其次是场地开阔,防止返回器因为特殊地形而撞坏,而当地几乎没有大江大河,非常适宜着陆;第三,地势平缓,有利于增加搜寻工作人员的视野,能够从远处就能够看到返回舱的踪迹;第四,天气好,内蒙古四子王旗全年降雨稀少,晴朗天气较多,非常有利于返回舱的降落;第五,地表足够坚硬,返回器着陆之后不至于深陷地表之下。

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。

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。

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。

此前,嫦娥五号的成功落月引发了国际技术界强烈关注。特别是space.com,在着陆成功15分钟后就第一个发了正式新闻,表示了祝贺。随后,路透社和spaceflight也纷纷跟进了报道,俄罗斯航天局与欧空局也发来贺电。

据塔斯社报道,当地时间12月1日,负责国际合作的俄罗斯联邦航天局副局长谢尔盖・萨伐黎耶夫称,俄罗斯联邦航天局对嫦娥五号探测器成功落月表示祝贺。

萨伐黎耶夫说:“中国国家航天局完成了一次月球探测器采样返回任务中的落月环节,这是中国航天事业上真正的历史性事件,是中国太空探索史上的首次。”他还祝愿嫦娥五号探测器能够成功将月球土壤样本带回地球,圆满完成中国的科学计划。他还表示,月球研究仍然是所有国家太空计划的优先事项,俄罗斯与中国定期讨论在这一领域的发展合作。

当地时间12月1日晚,欧洲空间局在社交媒体上分享了嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区的消息,并向中国国家航天局表示祝贺。欧空局还表示,通过其全球跟踪站网络,欧空局为嫦娥五号探测器提供了技术支持。在嫦娥五号发射之后,欧空局位于法属圭亚那的库鲁地面站曾对其进行数小时的追踪。而在嫦娥五号返回地球的时候,欧空局将通过位于西班牙的马斯帕洛马斯地面站接收信号。

美国国家航天局(NASA)级别最高的科学官员托马斯・祖尔布琴博士(Dr Thomas Zurbuchen)也在境外社交媒体平台推特上对嫦娥五号成功落月表示祝贺。他称这并非易事,当从月球上收集的样本被送回地球后,希望所有人都能从对这种可促进国际科学界进步的宝贵货物进行的研究中受益。在嫦娥五号成功发射升空当天,祖尔布琴也曾发推文向中国表达祝贺。

2020年11月24日4时30分,在中国文昌航天发射场,通过长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约2200秒后,顺利将探测器送入预定轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。11月24日22时06分,嫦娥五号探测器3000N发动机工作约2秒钟,顺利完成第一次轨道修正,继续飞向月球。截至第一次轨道修正前,嫦娥五号探测器各系统状态良好,在轨飞行约17个小时,距离地球约16万公里。

11月28日20时58分,嫦娥五号探测器经过约112小时奔月飞行,在距月面约400公里处成功实施3000牛发动机点火,约17分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥五号探测器近月制动正常,顺利进入环月轨道。

12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区,并传回着陆影像图。

12月1日22时57分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降,7500牛变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球速度从约1.7公里/秒降为零。期间,探测器进行快速姿态调整,逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测,选定着陆点后,开始避障下降和缓速垂直下降,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

12月2日4时53分,探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。探测器于12月1日23时许成功着陆月面后,开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。着陆器和上升器组合体按计划进行表取采样,嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合,多点采样的方式,设计了钻具钻取和机械臂表取两种“挖土”模式。

12月3日23时10分,嫦娥五号上升器3000N发动机工作约6分钟,成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

与地面起飞不同,嫦娥五号上升器月面起飞不具备成熟的发射塔架系统,着陆器相当于上升器的“临时塔架”,上升器起飞存在起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异等问题;另外由于月球上没有导航星座,上升器起飞后,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次月球轨道交会对接。后续,嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器分离,择机返回地球。

12月12日9时54分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了约6天的环月等待,实施了第一次月地转移入射,从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。月地转移入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道。

12月14日11时13分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约28秒钟,顺利完成第一次月地转移轨道修正。目前,携带月球样品的嫦娥五号轨道器和返回器组合体各系统状态良好。

20世纪六七十年代,美国和前苏联先后实现有人和无人月球采样返回。嫦娥五号任务通过在预定着陆区域开展取样,以及月面科学探测和后期月球样品综合分析,有望在月球形成过程、地质演变等方面取得新的科学认知。2004年,我国探月工程立项实施,确定了“绕、落、回”三步走战略规划。九天揽月星河阔,十六春秋绕落回。16年来,中国探月工程五战五捷,硕果累累。

目前我国正在规划嫦娥六号、七号、八号任务。

嫦娥六号任务将根据嫦娥五号任务情况,确定在月球正面或背面南极附近实施采样返回。嫦娥六号任务预计在2023年至2024年实施。中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁表示,我国探月工程四期将构建月球科研站基本型,这一基本型由运行在月球轨道和月面的多个探测器组成。

在11月25日闭幕的2020文昌国际航空航天论坛上,吴伟仁说,基本型将具备月球科学技术研究、资源开发利用技术验证的能力,并与国际同行合作,建设国际月球科研站。

吴伟仁还表示,在我国探月工程四期的月球极区探测任务规划中,嫦娥七号将对月球南极地形地貌、物质成分、空间环境等进行综合探测。嫦娥八号除继续开展科学探测试验外,还将进行关键技术的验证。

国际月球科研站是指由多国参与,按照“共商共建共享”的原则,在月面建设和运营的科学实验实施,支持开展长期、较大规模的月球轨道与月面探测、天文与对地观测、基础科学实验。不知大家有没有发现这样一个变化:我国月球探测发展方式正从独立自主走向开放合作,嫦娥四号首次搭载了多个国家的科学仪器,开展了中外联合探测。未来,我们将更多的开展国际合作。

2019年4月18日,国家航天局在北京交接了嫦娥四号国际载荷科学数据,并发布嫦娥六号及小行星探测任务合作机遇公告,向国内院校、民营企业和国外科研机构进行征集。中国将在嫦娥六号任务和小行星探测任务中提供搭载平台和载荷资源的机会,也欢迎更多国家参与中国的月球与深空探测工程,加强月球与深空探测领域基础科学研究的国际交流。

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