嫦娥五號奔月將創(chuàng)造五個首次

本報赴海南特派記者　劉揚 本報記者 樊巍

11月24日凌晨，長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空，在破曉中劃出一道金色弧線，成功將“嫦娥五號”月球探測器送入地月轉移軌道。據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，嫦娥五號任務是我國今年航天發(fā)射的重磅任務，更是中國探月工程“繞、落、回”三步走的最后一步,將實現(xiàn)包括我國首次月球無人采樣返回在內(nèi)的一系列高難度任務。據(jù)介紹，嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復雜的航天器系統(tǒng)，也是我國目前重量最重的月球探測器。本次任務難度非常高，可謂“步步驚心”，同時看點也是層出不窮。

年度最有“分量”的發(fā)射

據(jù)國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關鋒介紹，探月工程三期是我國探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的最后一步，將實現(xiàn)月球采樣返回。三期工程規(guī)劃實施兩次采樣返回，在嫦娥五號任務之后，后續(xù)還有嫦娥六號任務。嫦娥五號任務是我國迄今最復雜、難度最大的航天任務之一。

國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發(fā)言人裴照宇表示，嫦娥五號任務有望創(chuàng)造5個“中國首次”：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲、分析和研究。

除了意義重大，這次任務運載火箭和搭載的乘客也是“分量”十足。據(jù)專家介紹，嫦娥五號月球探測器重達8.2噸，是我國目前發(fā)射的重量最重的月球探測器。作為我國探月三期工程采樣返回任務的核心，由中國航天科技集團研制的嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復雜的航天器系統(tǒng)，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四器共包含15個分系統(tǒng)組成。嫦娥五號探測器需要直接被送入近地點200公里、遠地點41萬公里的地月轉移軌道，“在長征火箭家族中，只有長征五號火箭可以將這么重的載荷直接送入地月轉移軌道，這是對運載火箭能力的集中檢驗，也是對中國航天能力的最佳注解?！遍L征五號火箭第一總指揮、航天科技集團一院黨委書記李明華介紹稱。據(jù)統(tǒng)計，這是長征五號系列運載火箭第六次發(fā)射，也是2020年第三次執(zhí)行發(fā)射任務。

此前美蘇也曾進行過月球采樣返回，本次任務有什么異同呢？據(jù)航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設計師彭兢介紹，人類過去的采樣返回任務要么是載人登月，通過航天員攜帶不同工具去采樣，然后將樣品帶回來；或者像蘇聯(lián)用一個單一的采樣裝置去采樣，每次采樣量大概一兩百克。而中國這次瞄準的是，采到公斤級樣品?！?/p>

為何在風暴洋降落采樣

嫦娥五號任務的采樣區(qū)域是在月球正面風暴洋西北部，預計采樣量約兩公斤，在月面工作時間約兩天。

中國地質(zhì)大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍介紹稱，月壤是研究月球的樣本，由月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用后形成，其中有大量的月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質(zhì)。通過研究這些月壤物質(zhì)，不但可以了解月球的地質(zhì)演化歷史，也為探索太陽活動等提供必要的信息。

嫦娥五號為什么選擇在風暴洋西北部降落采樣呢？彭兢介紹稱，過去還沒有人類探測器去過這個著陸地點?？茖W家認為，這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代比較年輕，如果將這塊區(qū)域的樣品帶回實驗室進行分析，能幫助人類更好地認識月球形成過程。同時，選擇在風暴洋西北部采樣也有從工程實現(xiàn)角度來考慮的因素。

彭兢表示，此前只有蘇聯(lián)完成過無人月球采樣，當時采用鉆取的方式，所用鉆頭是中空結構，把鉆頭深入月球表面以下，然后從里邊獲取巖石樣本。我們借鑒蘇聯(lián)鉆取采樣的方式，并提高技術水平獲得更多的月巖。但單一采樣方式獲取的樣品受限較多，因此我們還將利用機械臂從月球表面抓取樣品，這兩種取樣方式可以互為備份?！?/p>

地面大網(wǎng)保障“嫦娥奔月”

嫦娥五號探月采樣返回這么復雜的過程，全程需要一雙“無形之手”牽引指揮。從火箭升空的那一刻起，火箭飛行、星箭分離、嫦娥五號落月、探月、采樣、返回等整個過程，都依托由地面雷達、地面測控站、海上測量船及中繼衛(wèi)星等陸?？仗烊轿徊季值南到y(tǒng)，用無形電波張開的通信測控“天羅地網(wǎng)”，全程掌握嫦娥五號的位置、狀態(tài)等信息，接收它發(fā)回來的數(shù)據(jù)，并向它傳遞來自地面的指令信息。

中國電科技術人員表示，長征五號火箭發(fā)射時，新一代雷達遙測綜合測量系統(tǒng)提供了持續(xù)保障。它是國內(nèi)首部大口徑雷達遙測一體化系統(tǒng)，能跟蹤火箭反射回波，即使在應答機或遙測設備異常情況下，仍能測量火箭飛行軌跡。

據(jù)中國電科工作人員介紹，不同于常規(guī)任務，月球探測任務面臨著測控距離遙遠、自由空間損耗、空間延時大以及任務場景復雜等諸多挑戰(zhàn)。不久前我國首個深空天線組陣系統(tǒng)正式啟用，與南美35米深空測控系統(tǒng)、佳木斯66米深空測控站，以及分散各地的地面測控站、海面測量船聯(lián)袂出征，共同提供嫦娥五號的測控通信保障。該深空天線組陣系統(tǒng)由4個35米深空天線組成，可實現(xiàn)單天線或2/3/4任意天線組陣，從深度和廣度上大大提升我國深空測控能力。中國電科技術人員表示，其中4天線組陣時擁有超過66米口徑天線數(shù)據(jù)接收能力，測控距離超過4億公里。

由于月地距離遙遠，對嫦娥五號的測控通信微弱信號需要“遙控器”和靈敏“順風耳”支撐。作為深空測控重要組成，大功率高功放設備是探測器通信鏈路的“遙控器”，能將微小的上行已調(diào)信號放大后，經(jīng)大口徑天線發(fā)射出去，實現(xiàn)對距離幾十萬公里以外月球探測器的精準控制；而特種低溫接收機則像探測器的“順風耳”，通過物理極限大幅降低電子器件熱噪聲，可在零下260攝氏度的低溫環(huán)境下，精確接收到來自遙遠太空的微弱信號?！?/p>

嫦娥五號探測器什么樣

航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設計師彭兢介紹說，嫦娥五號探測器由四部分組成，總重量8.2噸，它的外形有點像穿糖葫蘆，從上到下依次是上升器、著陸器、返回器和軌道器，這四部分在發(fā)射時組成的探測器整體高度約7.2米。

彭兢表示，從名字也能看出來這四部分各自的用途。上升器負責攜帶在月面收集到的樣品從月球表面起飛，此后進入環(huán)繞月球軌道，與軌返組合體進行交會對接，并把樣品轉移到返回器里面。著陸器負責在月球表面著陸，它的功能包括攜帶上升器落在月面。著陸后，它最重要的工作是以鉆取和表取方式完成月球表面的采樣并完成封裝。返回器的功能就是當完成交會對接、樣品轉移到返回器之后，由它攜帶樣品返回地球。

軌道器的功能最為復雜。彭兢說，它主要承擔在不同軌道上飛行的任務。發(fā)射時，它會攜帶其他三器，完成地球到月球的飛行。到月球后，軌道器要負責“剎車”，通過減速制動，使得探測器整體進入環(huán)繞月球軌道。然后軌道器和返回器構成的組合體與著陸上升器分開，著陸上升器前往月球表面著陸，軌道器返回器停留在軌道上，等待上升器攜帶樣品從月面起飛進入月球軌道。完成交會對接和樣品轉移之后，等到合適時機，軌道器將攜帶返回器，加速從月球飛向地球，這個過程被稱為月地轉移。回到地球附近后，軌道器會釋放返回器，讓其攜帶樣品回到地球。在此過程中，軌道器會在地面控制下完成規(guī)避機動，確保返回器能安全著陸，然后軌道器將進入一個環(huán)繞地球的大橢圓軌道，等待后續(xù)處置?！?/p>

回家之路仍有挑戰(zhàn)

根據(jù)國家航天局介紹，嫦娥五號返回地球時將采用半彈道、跳躍式返回模式，著陸區(qū)域為內(nèi)蒙古四子王旗相關區(qū)域。早在2014年10月，中國就曾成功試驗飛行器以第二宇宙速度再入返回，驗證了氣動力、氣動熱防護、制導導航與控制等多項關鍵技術，為嫦娥五號任務奠定了堅實的基礎。

有航天專家表示，“半彈道跳躍式飛行”增加了返回器在大氣層的“一出一入”，從而減小著陸速度，有利于選擇降落區(qū)。彭兢介紹說，嫦娥五號任務的返回器跟2014年驗證試驗時返回器狀態(tài)基本一致。那次飛行試驗的目的就是為了驗證返回器能以第二宇宙速度，也就是約每秒11公里的速度，返回地球大氣層。其中涉及氣動、防熱、控制等一系列復雜關鍵技術。2014年的試驗取得成功后，我們對完成嫦娥五號任務有了更大信心。不過與2014年的試驗相比，嫦娥五號返回器還有一些細微差別。因為這次返回器要接收從月球表面起飛帶上來的月球樣品，所以多了一個返回艙，而且返回艙要保證在交互對接時能打開，確保樣品容器進入艙里面，在返回地球過程中還要保證艙門可以嚴密關閉保護樣品。針對這些差別，研制人員已經(jīng)做了大量地面試驗。

在此之前還有一個關鍵節(jié)點——高精度月地入射?！董h(huán)球時報》記者了解到，月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌返組合體進入月地轉移軌道。由于月地關系不斷變化，月地入射窗口及入射點位置均受到嚴格約束；同時，月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點精度，影響返回器的安全著陸，控制精度要求也非常高?！?/p>