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嫦娥五号发射专题(一)——环环相扣,嫦娥五号月球“取土”十一步
    日期:2020年12月25日    字体:【】【】【

从地球到月球,再从月球回到地球,带2公斤月球样品来中国。嫦娥五号探测器出生伊始,就被赋予了这项特殊使命。

16年来,按照探月工程最初“绕、落、回”的规划,我国已经取得了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、探月工程三期再入返回飞行试验器、嫦娥四号共计5次任务的连战连捷,突破了月球环绕探测、月面软着陆探测、月面巡视探测、近第二宇宙速度月地返回、月背巡视探测等一系列世界级月球探测工程难题。

作为探月三期的收官之战,嫦娥五号任务的核心是“月球采样返回”。要完成这项任务,“绕、落、回”技术缺一不可。因此,有人把嫦娥五号任务称作是对整个探月工程启动实施16年来的一次系统大考。

深空探测任务十分复杂,嫦娥五号被设计成了四器构型(轨道器、返回器、着陆器、上升器),以串联的方式叠加在一起。尽管工程设计师们在减重设计方面下了一番功夫,但嫦娥五号的发射重量也有8.2吨,是全球最大吨位无人深空探测器之一。我国目前只有长征五号运载火箭能够将其直接送入地月转移轨道。

此次地月往返,嫦娥五号要在约23天任务周期里连续完成11 个阶段的飞行。这11步环环相扣,不容任何闪失。

一、发射

11月24日凌晨4时30分,长征五号遥五运载火箭把嫦娥五号探测器直接送入地月转移轨道。目前,全球范围内能将8吨级探测器直送地月转移轨道的国家仅有两个,一个是美国,另一个就是中国。

二、地月转移轨道飞行

地月转移轨道是地月间能量消耗较小的轨道,嫦娥二号、三号、四号,探月工程三期再入返回飞行试验器任务走的都是该轨道。在这条“长途高速公路”上,嫦娥五号的飞行时间大约是112个小时,其间进行1-3次中途修正。

地面深空测控网将实时工作,保证嫦娥五号在茫茫宇宙中不迷失方向。

三、近月制动

当嫦娥五号飞抵近月点约200公里的位置时,及时的“太空刹车减速”尤为重要。如果没有及时刹车减速,嫦娥五号将飞离月球;如果减速过猛,还可能撞上月球。因此,必须精确计算点火时间。在这次任务中,为了更好地进行柔性控制,嫦娥五号将踩上两脚刹车。

不同于嫦娥一号、二号使用的490牛轨控发动机,嫦娥五号的轨控发动机是新研制的3000牛发动机。它的比冲高达312秒,性能非常好。

四、环月飞行

2次减速刹车后,嫦娥五号将被月球引力捕获,从而进入一个高度约 200公里的环月轨道。

在环月轨道上,嫦娥五号着陆器与轨道器支撑舱分离,形成“轨道器、返回器组合体(轨返组合体)”与“着陆器、上升器组合体(着上组合体)”。

轨返组合体将继续留在200公里环月轨道运行,等待上升器的归来。着上组合体则通过2次降轨变轨至近月点15公里、远月点200公里的着陆准备轨道,进行为期两天左右的环月飞行。

五、月面下降

着上组合体要执行落月任务。这一过程在嫦娥三号、四号任务中已经得到成功实践。因为嫦娥五号着陆重量比嫦娥三号和嫦娥四号要重很多,所以着陆时间增长至15分钟左右,风险也更大一些。

在机器视觉全自主避障系统、7500牛变推力发动机与水平机动推力器的综合作用下,嫦娥五号可实现较高精度的月面着陆。着陆的目标地是月球正面吕姆克山脉附近。该山脉坐落在月球北纬40.8°、西经58.1°处,面积大、边缘很陡、山顶比较平坦。

六、月面工作

嫦娥五号着上组合体的月面工作时间设定为48小时,目标是采集约2公斤的月球样品。

采样方式分为表取和钻取。这两种方式互相补充,既能够获得表层或次表层月壤,又能够采集深层样品,获得层理信息。为此,着上组合体配备了人类迄今为止最为全面的地外天体样本抓取机构。其中,钻取采样装置可以钻取月面下2米深度的月岩样本;

表取采样装置则由四自由度机械臂与末端采样器组成,基于机械臂功能可以实现大范围多样化采样。

嫦娥五号采样目标约2公斤月球样品,在无人采样领域堪称佼佼者。此前人类曾发射3艘无人月球采样飞船,获取的月壤总量也仅有326克。

月面采样任务结束后,完成月球样本密封封装工作的上升器,准备从月面点火起飞。

七、月面上升

月面起飞是一个从未进行过的高难度动作。轨道设计、起飞测控、发动机羽流导流等都是核心难题。

在研制过程中,嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验充分验证了设计的可靠性与正确性,月面起飞用3000牛发动机经过了严苛的考验,GNC(制导、导航与控制)系统也对垂直上升段、上升调姿段、轨道入射段进行了大量的试验验证和仿真。

不同于地球环境,从月球表面起飞存在很多未知因素。比如,月面软着陆过程无法保证精确的水平姿态,同时也无法提供完备的起飞、发射支持;月尘对设备的影响未知。在 GNC 系统、推进系统的共同作用下,上升器哪怕着陆在有一定斜度的坡面,也要能够安全起飞。

此次月面发射的窗口期很短,上升器和轨返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。

八、月球轨道交会对接与样品转移

上升器从月面起飞,进入近月点15公里、远月点180公里的目标轨道,经过两天的环月飞行,完成与轨返组合体之间的远程导引,进入自主近程交会段后,在交会对接敏感器导引下于3.5小时内实现两器对接。对接之后,上升器将样品转移至返回器。

不同于载人航天工程的地球近地轨道交会对接,嫦娥五号要突破的是首次在38万公里以外的月球轨道无人交会对接技术。除了要攻克深空轨道多目标高精度制导、导航与控制技术,还需要轻量化的对接系统。

“神舟”与“天宫”交会对接是体量相当的空间目标撞击,而嫦娥五号的轨返组合体超过2吨,上升器才几百公斤。为了保证彼此的安全,要改撞击为停靠抓捕。轨返组合体要主动对接上升器,呈现大追小的复杂工况。

为了解决这一难题,一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构应运而生。它采用捕获、校正、锁紧、自动转移功能一体化设计,在无人交会对接的同时,通过连杆式的转移装置实现样品容器自动转移。

九、环月等待

完成对接与样品转移后的上升器使命终结,与轨返组合体再次分离。紧接着,轨返组合体将进入为期 5-7天的环月等待飞行,等待进入月地转移轨道的合适窗口,全力以赴做好返回地球的准备。

十、月地转移

当月地转移轨道窗口到来时,轨道器3000牛发动机点火加速飞向地球。嫦娥五号轨返组合体带着月球采样样品满载而归。当距离地球约5000公里高度时,轨返组合体建立分离姿态,随后二者分离,返回器即将回到地球的怀抱。

十一、近第二宇宙速度再入大气层

以往神舟飞船再入大气层的初始速度是7.6公里/秒,所承受的再入大气烧蚀温度在2000摄氏度左右,而嫦娥五号的返回器则将以约11公里/秒的近第二宇宙速度再入大气层,与大气摩擦的烧蚀温度将近3000摄氏度。

为了抵御高温烧蚀,返回器应用了强大的防热烧蚀材料。舱体承受高温烧蚀的同时还面临气动减速难题。

工程师们创新设计出高速半弹道跳跃式返回轨道,就像打水漂一样。返回器第一次再入大气后,在距地面约60公里处利用大气升力再度反弹回太空,然后第二次再入大气层实现减速。

返回器在距离地面接近1万米高度时,减速伞与主伞相继拉出,最终将着陆于内蒙古四子王旗着陆场。

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