嫦五开启我国首次地外天体采样返回之旅 有望实现我国航天史5个首次

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日期:2020-11-25 09:52:21    来源:北京青年报    

24日4时30分,我国在文昌航天发射场用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。这是长征五号系列运载火箭的第六次发射,也是2020年第三次执行发射任务。

北京青年报记者从国家航天局了解到,长征五号遥五运载火箭发射升空后,先后实施了助推器分离、整流罩分离、一二级分离以及器箭分离等四次分离。嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,在经历地月转移、近月制动、环月飞行后,着陆器和上升器组合体将与轨道器和返回器组合体分离,轨道器携带返回器留轨运行,着陆器承载上升器择机实施月球正面预选区域软着陆,按计划开展月面自动采样等后续工作。

三问月球“挖土”

月球“挖土”需要多长时间?

月面工作约2天 总飞行时间约23天

此次采样包括月球表面的抓取和钻取岩芯两种方式,计划采集2千克月壤样品并严格密封后送回地球。嫦娥五号在月面工作的时间约2天,总飞行时间约23天。嫦娥五号有望实现中国航天史5个“首次”:首次月面自动采样,首次月面起飞上升,首次实现月球轨道交会对接,首次带月壤高速再入返回地球,首次大规模进行月壤样品的存储、分析和研究。其中,月球表面自动采样是最引人注目的一个环节。在这个阶段,嫦娥五号计划在月球吕姆克山附近着陆并采集月壤。为此,来自航天科技集团五院的设计师们采用表钻结合、多点采样的方式,精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。着陆器和上升器组合体顺利软着陆在月球表面后,嫦娥五号随身携带的钻取采样装置、 表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”将科学分工,精密配合,花2天时间采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等各种方式,采集约2千克月壤并密封封装送回地球。

月面采样技能有哪些?

超强钻头+机械臂 助力月面自动“挖土”

“有了金刚钻,才揽瓷器活”,在月面钻取式“挖土”靠的是钻取子系统,其核心部件就是钻头。嫦娥五号钻取子系统的研制历时十余年之久,而其独创的钻头,是研制者们通过建立钻进与取芯能力评价体系,对比16种设计方案,最终确定了双排钻牙阶梯构型,经过千锤百炼,保证钻进过程顺畅可控,具备对8级硬度岩石的钻进能力。同时有针对不同颗粒度月壤进行切削、拨、挤、排的能力,双排出刃形成多个切削面,经试验验证能够拨动与突破临界颗粒与颗粒集群,具有较好解决危险工况和大颗粒的能力。

至于表取式“挖土”,靠的则是特定的机械臂。这个机械臂和人手几乎是一样的:在末端,即腕关节上有两个采样器,其中一个采样器类似一个铲子,样子有点像带钩子的铁锹,接近月面的时候通过转动从月面挖取样品;另一个采样器末端为花瓣状结构,能够通过旋转将黏结在一起的月壤破碎掉,从而获得相对较深的样品。

如何把月壤样品带回地球?

太空“打水漂” 携月壤返回

怀揣着辛苦“挖”来的月壤样品,嫦娥五号的返回器将启程返回地球。返回器将首先以第二宇宙速度冲向地球,在进入地球大气层后,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,平稳安全地降落在四子王旗着陆场。

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,这时它的飞行速度是接近每秒11千米的第二宇宙速度,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8千米的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3千米的差距,因为就好像扔石头,同样一块石头从一层楼扔下来和从十几层楼扔下来的速度肯定不一样。同理,航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回必然不同,而且差距巨大。一旦速度过猛,返回器一头撞向地球,后果不堪设想,必须让返回器减速飞行。为此,航天科技集团五院的设计师们创新提出了“半弹道跳跃式再入返回”技术方案,就像在太空打水漂一样,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。

主要科学目标

开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球月壤样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,深化月球成因和演化历史的研究。

三大工程目标

一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术,提升我国航天技术水平;

二是实现我国首次地外天体自动采样返回,推动我国科学技术重大进步;

三是完善探月工程体系,为我国未来开展载人登月与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础。

11个阶段任务

●发射入轨阶段,由运载火箭发射后进入到地月转移轨道的飞行阶段;

●地月转移阶段,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,此阶段大约飞行112小时,其间要进行多次中途修正;

●近月制动阶段,在目标环月飞行轨道正常行进,并在近月点进行2次减速制动,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200千米左右;

●环月飞行阶段,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,等待上升器的到来;

●着陆下降阶段,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阶段,寻找合适的月面完成软着陆,整个下降过程15分钟左右;

●月面工作阶段,着陆上升组合体将在月面停留2天,其间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;

●月面上升阶段,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;

●交会对接与样品转移阶段,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月壤样品通过轨道器转移到返回器中;

●环月等待阶段,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,等待月地入射窗口的到来;

●月地转移阶段,轨道返回组合体带着月球采样品从月球满载而归,经历多次中途修正后,在距离地球5000千米高度处实现轨道器和返回器的分离;

●再入回收阶段,返回器带着月壤样品降落在地面预定地点。

权威解读

采样位置“选址十分明智”

我们为什么要如此大费周章地去月球“挖土”呢?据全国空间探测首席科学传播专家庞之浩介绍,通过研究目前已有的月壤,科学家们发现月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,它们是在月幔部分融化的过程中,在月球表面下约300千米的深处形成,因为火山活动而喷出到月球表面。对样品的分析与实验证实,月壤和月岩中氧化铁的含量很高,从中可以制取水和氧,未来可利用月面物质支持月球基地的运行,并为登月飞行器补充燃料。更重要的是,科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模,月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。

此外,在地球上,通过测量岩石中微量放射性化合物的衰变,人类已经知道火山爆发、物种大规模灭绝发生的时间。但在太阳系其他地方,这个时间线是混乱甚至未知的,原因就是记录太少,目前有关的月球数据都来自美国和前苏联带来的月壤样品。而“嫦娥五号”的采样目的地在月球吕姆克山附近,它位于月球风暴洋地区,形成时间相对较晚,这一地点的采样将进一步完善月球历史的全貌,同时为不稳定的陨石坑年龄测算方法提供新的定位点。

国际顶尖科学期刊《自然》(Nature)近日就嫦娥五号任务发表文章,评价嫦娥五号月面采样的位置“选址十分明智”,表示其采回的样本可以填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。之前美国和前苏联采回的月壤和月岩样品表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10亿至20亿年前才形成的火山熔岩,这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号的样本证实这段时间月球仍在活动,将改写月球的历史。(记者 雷嘉)

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