嫦娥五号探测器组合体分离 中国载人登月超前预演

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“嫦娥奔月”在中国是家喻户晓的古代民间传说,带着国人数千年来的探月之梦,中国于2004年正式开展月球探测计划,并将其命名为“嫦娥工程”。2007年10月24日,嫦娥一号在西昌卫星发射中心搭乘长征三号甲运载火箭顺利发射升空,一年之后,依据嫦娥一号卫星拍摄数据制作的中国第一幅全月球影像图正式公布。

在嫦娥工程立项16年后,进阶版嫦娥五号按着中国人的既定计划奔月了。北京时间11月24日4时30分,中国在海南文昌航天发射场,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,将探测器送入预定轨道。24日晚22时嫦娥五号完成最重要的第一次轨道修正。

11月30日,嫦娥五号任务飞行控制团队按计划实施嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体分离,凌晨4时40分,嫦娥五号探测器组合体顺利分离。轨道器和返回器组合体将继续在平均高度约200公里的环月轨道上飞行并等待上升器交会对接,着陆器和上升器组合体将择机实施月面软着陆,进行自动采样等后续工作。

2020年11月23日,中国海南文昌航天发射场工作人员制服上的臂章印有“中国探月”字样。(AP)

按照计划,整个嫦娥五号任务历时23天。如果采样成功,那将是人类时隔44年再一次采集月球样品并返回地球,中国也将成为继美国与苏联之后,全球第三个实现该目标的国家。

中国航天史上最具挑战的月球探测任务

2020年被视为中国航天发射“超级模式年”,宇航年度发射次数将首次超过40次。实际上,今年全球七大激动人心的太空任务中,由中国进行的就有两项。7月23日,中国已成功将其首次火星探测任务“天问一号”探测器送入预定轨道,迈出了中国行星探测第一步,彼次发射任务也成为中国航天走向深空的重要里程碑。而此次发射的嫦娥五号任务则是中国迄今为止最为大胆、最具挑战的月球探测任务。

作为富饶的“矿场”、理想的“太空补给站”,月球对人类有着天然的吸引力。2019年7月,美国航天局公布了“阿尔忒弥斯计划”,提出2024年以前再度实现载人登月,且计划让女航天员完成登月,并最终在月球表面建立长期生存基地;2020年7月,俄罗斯航天局提出2021年开启探月计划,计划2027年到2028年间向月球发射载人航天飞船;不甘寂寞的欧洲空间局也出台了“月球采矿”计划……

探月工程是中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》明确的国家级科技重大专项标志性工程,分为“探”、“登”、“驻”三大步,简单的三个汉字实际上却是无人探测、载人登月、短期驻扎(建立月球基地)的简称,科技含量极高。“探”、“登”、“驻”也是实现月球探测最宏观层面的“三步走”,从世界范围来看,美国已走完前两步,苏联/俄罗斯已走完第一步,中国和其他有探月实力的国家正在走第一步。

中国探月工程自2004年1月立项并正式启动以来,已连续成功实施嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、再入返回飞行试验和嫦娥四号五次任务。前文所提及“三步走”第一大步的“探”又可分出“绕”、“落”、“回”三小步,其中“绕”,即实现环绕月球探测,已由嫦娥一号实现;“落”,即实现月面软着陆和自动巡视勘察,业已由嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号完成;“回”,即实现无人采样返回,则将由嫦娥五号、嫦娥六号来实现。

此番发射升空的嫦娥五号几乎汇聚了目前中国航天所有最顶级的技术,是中国航天史上最具挑战的月球探测任务,不少业内人士将其看作是中国载人登月的一次超前预演,是在为十年后的中国载人登月进行技术验证。

嫦娥五号的大目标及突破

对中国来说,其面向太空的志向已很明显。50年前,中共在建政21年之后,成功发射了首颗人造地球卫星“东方红一号”。作为太空竞赛的后来者,中国出发时间晚了数十年,但现在,中国在2003年实现了第一次载人航天飞行,已是全球第三个实现载人航天的国家;在国际空间站面临“退役阴影”之际,中国空间站建设正稳步推进,出于多种原因,未来太空将极有可能唯有中国空间站……

以“嫦娥工程”为代表的月球探测工作是中国迈出航天深空探测的第一步,实现了中国航天深空探测零的突破。嫦娥五号的发射之所以特别引人关注,在于其标志着中国探月工程“绕”、“落”、“回”三小步的最后一步即将完成,“探”、“登”、“驻”三大步的第一阶段开始收官,而且它将有望实现中国航天史上的4个“首次”,这对中国航天人而言,将是一次大考。

嫦娥五号任务的主要科学目标包括开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球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。

其三大工程目标为: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,提升中国航天技术水平;实现中国首次地外天体自动采样返回,推动中国科学技术重大进步;完善探月工程体系,为中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。

在嫦娥五号任务诸多看点中,其有望实现的4个首次将是中国太空探索的重大突破。

1.首次在月球表面自动采样,在引力只有地球六分之一的月球环境下,中国的着陆器将挑战如何钻孔、铲挖,再顺利将月球样本封装进上升器。

苏联、美国已先后在1960年代及1970年代成功实现了月球探测任务。让探测器在月球上软着陆,并挖一捧土,以人类现有科学技术来说并不算是太大的难题,之前的嫦娥系列也已能够做到,真正难的是挖土后完好地封装月球土壤。美国“阿波罗”飞船载人登月采集样本时,即曾因为样本密封出现问题导致月球土壤被污染。

据中国探月工程副总设计师于登云介绍,由于月球引力只有地球的六分之一,对采样封装技术的要求将更高,才能保证取回的样本有效,而这是此前从未尝试过的。嫦娥五号无人采样器抵月球后将以钻头深入月球内部和机械臂月球表面采样两种方法获取月球样品。在着陆器降落在月球表面后,嫦娥5号探测器的一条长臂将可以抓取2公斤重的土壤样本,还可以从大约两米深的孔中取回采样并放入样品箱。当探测器通过打钻和机械臂采集月壤样本之后,将送入上升器中进行第一次封装,防止样本在离开月球的过程中出现损耗和遭到污染。

2.首次从月面起飞,不同于以往从地面固定发射,嫦娥五号将在月面以着陆器为平台发射上升器,挑战导流、散热、控制等新问题。

在人类过去几次探月任务中,都只需要执行一次发射,但嫦娥五号除了要在地球上升空,还要在月球表面发射。基于此,嫦娥五号采用了更先进的人工智能系统,从着陆点的选取,到对发射地点的经纬度、坡度、高程的调整,都将由嫦娥五号上的感应器收集数据后,再让人工智能大脑自主完成。

3.首次在38万公里外的月球轨道进行无人交会对接,上升器发射到月球轨道,将与轨道器、返回器组成的组合体交会对接,把采集样品转移到返回器后分离,挑战高精准度。

苏联过去3次月球采样返回任务一共才带回了约330克的土壤样本,而这次嫦娥五号至少将携带2公斤重的月球土壤样本返回地球,这其中质的改变就是月球轨道无人交会对接技术。不同以往,嫦娥五号探测器采样后不用直接飞回地球,而是由上升器将土壤样本转移到月球轨道上飞行的返回器中,再由返回器带回地球。

4.首次带月壤以接近第二宇宙速度返回地球,月球轨道器、返回器组合体带着样品飞向地球,在距地面数千公里时分离,最后返回器回到地球。

以往的返回舱都是以第一宇宙速度(7.9公里/秒)返回,嫦娥五号任务将以第二宇宙速度(11.2公里/秒)返回,速度更高、摩擦更大,这对返回器的气动外形、防热材料、姿态控制将是巨大的挑战。

中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁曾透露,中国载人登月将在2030年左右实现,并在月球南极建立国际月球科研站,在此之前嫦娥六号和七号将先后前往南极进行勘探。

诸多迹象显示,载人登月不会是中国人太空探索的终点。“从人造卫星,到月球和火星,中国在这些领域中正迅速变成太空超级大国”,美国《时代杂志》报道引述美国宇航局(NASA)的前高级顾问凯西•劳里尼(Kathy Laurini)的话说,“他们(中国人)设立战略性,长期性的目标,而且为达到这些目标进行专注的,系统性的努力。”

(本文原载于《香港01》周报,略有编辑。)

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