来源:中国科普博览

  还有一个多月,2020年就要结束了。不过,勤劳的中国航天人和科学家们仍在奋战。11月下旬,文昌卫星发射中心的101发射工位将再次迎来一位体重800多吨的客人——长征五号遥五运载火箭。而此次,她也将前往从未去过的目标——月球。这也是自去年年底以来的11个月内,“长征五号”系列运载火箭的第4次发射。正所谓“长五遥五送嫦五,冬月奔月去探月”

长征五号遥五运载火箭垂直转运至发射区(图片来源:新华社记者 郭程)长征五号遥五运载火箭垂直转运至发射区(图片来源:新华社记者 郭程)

  而搭乘这枚“长征五号”运载火箭的旅客,便是大家已经熟知的“嫦娥五号”。在静静等待了3年之后,这位我国的使者,将开展月表采样返回任务,替我们带回月球的第一抔土。值得一提的是,此次任务将是迄今为止,我国最复杂的航天任务。

  今天我们就来拆解一下这项最复杂任务,看看嫦娥五号将如何采样、如何将宝贵的月壤送回地球。

  月球的珍贵土壤,将怎样被带回地球?

  要想将一部分月壤样本带回地球,毫无疑问地,我们需要有一个从月球起飞的火箭(即上升器),她能够携带着这些月球纪念品离开月球。

  但是,在离开月球之后,我们会有若干个选择:在月球轨道上停泊一会儿,或者是直接返回地球。

  直接返回地球这个选择听起来非常简单直接,也确实能省下好多事情,苏联三次月球表面采样任务便是这样开展的。但是,由于人类目前还没有在月球建立火箭制造基地,因此这枚上升器必须由地球出发,再将封装好的月壤样品送回地球表面。这就意味着上升器会需要携带有返回地球所需要的全套物资,就会导致其变重。而如果上升器变重,相应地,就需要更多的燃料,才能将其送到月球表面,最终会导致探测器整体起飞质量的大幅增加。

  即使“长征五号”尽管是我国现役运力最大的火箭,这样的起飞质量需求对她来说,也很难满足,毕竟她月球转移轨道的投送能力是8吨左右。

  因此,我们的上升器为了多装月壤,只能轻装上阵,放弃一些不必要的物资,在月球轨道上飘一段时间。

  既然在月球轨道上有一个等待返回的火箭,那么势必需要一个轨道器待命,为火箭提供返回地球的动力。而一般的,轨道器是不具备再入设计的,因此,需要一个再入器,来抵抗火箭以接近第二宇宙速度再入地球时产生的高温。

  同时,为了减少返回的负载,在对接完毕之后,上升器还需要进行样品的转移与交接,将样品从上升器中装入再入器,进行封装。

  最后,我们还需要把上升器从月球轨道上送下去,也就有了着陆器的设计。

嫦娥五号结构图 图片来源:百度百科嫦娥五号结构图 图片来源:百度百科

  所以我们可以看到,相比于前面“嫦娥一号”到“嫦娥四号”的月球探测器,“嫦娥五号”的结构复杂得多,足足有4个主要部件——上升器、着陆器、再入器和轨道器,而“嫦娥一号”与“嫦娥二号”仅仅是一个轨道器,“嫦娥三号”与“嫦娥四号”也只有一个着陆器与一个巡视器。

中国探月工程三步走战略(中国探月与深空探测网)中国探月工程三步走战略(中国探月与深空探测网)

  一次探月飞行都有哪些难点?

  从任务的操作来看,一次探月飞行包括两次发射(地面发射与月面发射),两次着陆(月面着陆与地球着陆),两次封装(月面封装与月轨封装),一次交会对接(月轨对接)。

  可以看到,整个任务的复杂度大大增加,而且全新的任务要求更是对我国航天人的重大考验。好在,这些考验在过去几年的历程中,早已被我们一一攻克。

  首先是发射。

  发射可以分为地面发射与月面发射两个不同的任务。地面发射任务的难点主要在“长征五号”本身,7月份发射的“天问一号”仍然在飞行途中,相信肩负重任的胖五也能一切顺利!

  而月面发射任务的难点主要在起飞阶段——不同于地面发射场完备的保障体系,月面发射存在不可控的因素,最突出的一点就是落月位置。

  着陆器的落月范围是存在误差的,而这点误差就会带来发射地点的经纬度、坡度、高程的变化。为了解决这个问题,嫦娥五号必须能够精确地知道自己身处何方,状态如何,从而为上升数据注入提供依据。

  同时,由于下端就是着陆器,上升器在点火的瞬间会有一个较强的冲击,这也是影响她能否正常起飞的重要因素。

长征五号 图片来源:国家航天局长征五号 图片来源:国家航天局

  第二是着陆。

  着陆可以分为月面着陆与地面着陆两个不同的任务。月面着陆已经有“嫦娥三号”、“嫦娥四号”珠玉在前,特别是落在月背的“嫦娥四号”,着陆精度显著提升,月面着陆对于“嫦娥五号”而言并不是一个太大的问题,唯一需要注意的就是她携带了上升器,因此其质心较高,容易失去稳定性,但这个问题是比较容易克服的。

  真正的挑战来自地面着陆。由于月球与地球的距离遥远,在离开月球返回地球的路上,火箭的速度会不断上升,在进入地球大气层时,会以第二宇宙速度左右的高速再入。

  为了防止她因为温度过高而再入失败,一般有两种方案:第一是增加热盾厚度,抵抗再入时产生的高温;第二是调整再入角度,延长再入时间。

  第一种方案的优点是简单,再入路径短,落区误差小,但缺点是热盾将变得极其沉重;第二种方案的优缺点则正好相反。

探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空 图片来源:国家航天局探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空 图片来源:国家航天局

  而这次“嫦娥五号”的再入器将携带有至少2kg重的月壤样本,可以说是收获满满,增大热盾厚度将会“牵一发而动全身”,令整个探测器增重许多,因此我国选择的是第二种方法。

  由于再入角度特殊,“嫦娥五号”的再入器甚至会在大气层密度变化的部分发生跳跃,跳出大气层,随后二次再入。这一俗称“太空打水漂”的方案进一步增大了落点控制的难度。

  那么,这个方案可不可行?答案是可行的。

  因为早在2014年,我国就利用“嫦娥五号T1”试验器“舞娣”进行了一次测试,再入器样件在经过了长时间的再入之后,安安稳稳地落在了预定的落区范围内,圆满完成了任务,验证了再入技术的可靠性。

探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功,图为飞行试验器回收现场 图片来源:国家国防科技工业局探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功,图为飞行试验器回收现场 图片来源:国家国防科技工业局

  第三是封装。

  封装可以分为月面封装与月轨封装两个不同的任务。

  在月面上的封装,是对于月壤而言的,“嫦娥五号”的机械臂在采集月壤样本之后,将其通过一系列方式送入上升器中,进行第一次封装,防止其在离开月球的过程中出现损耗。第二次封装则是上升器的月壤转移到再入器中,来保护月壤样品不受再入时恶劣环境的影响。

  这两个任务非常重要,一旦操作不当,甚至会带来“功亏一篑”的恶果——试想一下,再入器扛过了极端恶劣的环境,但是她的密封盖却被打开,里面的样本付之一炬,那是何等地令人遗憾!因此,封装工作的唯一要求就是严丝合缝,完全地密封。

  这次封装工作的难点在于它是完全无人操作的——以往的再入器,要么不打开封装盖(返回式生物卫星、无人飞船),要么是有人飞船,航天员能够进行细致的检查。

  当人这一重要角色缺位的时候,要想全自动地实现月壤“采集-包装-转移-封装”一条龙服务,难度可想而知。

嫦娥四号软着陆区月壤样本光谱分析结果 图片来源:国家航天局嫦娥四号软着陆区月壤样本光谱分析结果 图片来源:国家航天局

  第四就是月球轨道对接。

  尽管我国的空间自主交会对接工作技术已经成熟,但这些都是在地球轨道上进行的,有充足的地面站与人造卫星资源提供精准的测距、定位、导航服务,在月球轨道附近,这些服务资源将大大减少,需要更多地让探测器自主实现。可以说,在月球轨道进行交会对接的工作,也是这次任务的重点之一。

天宫一号与神舟飞船进行空间交会对接试验 图片来源:国家航天局天宫一号与神舟飞船进行空间交会对接试验 图片来源:国家航天局

  除了以上难点之外,探测器的部件多导致连接件数量多,由此引发的强度问题,探测器之间的即时通信,采样机械臂在月球特殊环境下的可靠性等等,都是此次任务需要一一予以验证与解决的问题。

  此外,即便“嫦娥五号”任务完成之后,再入器内部的环境仍然是真空,在我们揭开盖子的时候,仍然需要在设施完善的特殊实验室内进行,以防止地球大气的涌入对样本造成影响。

  这些细节贯穿着这次“嫦娥五号”任务的始终,其中任何一环出了问题,都将对任务造成毁灭性的影响。

  也正因如此,“嫦娥五号”成为了我国迄今为止最为复杂的航天任务。为了在这场大考中交出一份满意的答卷,中国航天几乎所有的先进技术都将得到使用,各个部门的“航天人”用完备的论证,充分的实验,辛勤的汗水,凝结成了“嫦娥五号”的战衣,带着我们的希望,伴随她前往这漫漫的征途。

  祝她一路顺利!顺利出发,顺利归来!


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