太空探索

01.發(fā)射

11月24日 凌 晨4時(shí)30分，長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭把嫦娥五號(hào)探測(cè)器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。目前，全球范圍內(nèi)能將8噸級(jí)探測(cè)器直送地月轉(zhuǎn)移軌道的國(guó)家僅有兩個(gè)，一個(gè)是美國(guó)，另一個(gè)就是中國(guó)。

02.地月轉(zhuǎn)移軌道飛行

地月轉(zhuǎn)移軌道是地月間能量消耗較小的軌道，嫦娥二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器任務(wù)走的都是該軌道。在這條“長(zhǎng)途高速公路”上，嫦娥五號(hào)的飛行時(shí)間大約是112個(gè)小時(shí)，其間進(jìn)行1～3次中途修正。

地面深空測(cè)控網(wǎng)將實(shí)時(shí)工作，保證嫦娥五號(hào)在茫茫宇宙中不迷失方向。

03.近月制動(dòng)

當(dāng)嫦娥五號(hào)飛抵近月點(diǎn)約200公里的位置時(shí)，及時(shí)的“太空剎車(chē)減速”尤為重要。如果沒(méi)有及時(shí)剎車(chē)減速，嫦娥五號(hào)將飛離月球；如果減速過(guò)猛，還可能撞上月球。因此，必須精確計(jì)算點(diǎn)火時(shí)間。在這次任務(wù)中，為了更好地進(jìn)行柔性控制，嫦娥五號(hào)將踩上兩腳剎車(chē)。

不同于嫦娥一號(hào)、二號(hào)使用的490牛軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，嫦娥五號(hào)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)是新研制的3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)。它的比沖高達(dá)312秒，性能非常好。

04.環(huán)月飛行

2次減速剎車(chē)后，嫦娥五號(hào)將被月球引力捕獲，從而進(jìn)入一個(gè)高度約200公里的環(huán)月軌道。

在環(huán)月軌道上，嫦娥五號(hào)著陸器與軌道器支撐艙分離，形成“軌道器、返回器組合體（軌返組合體）”與“著陸器、上升器組合體（著上組合體）”。

軌返組合體將繼續(xù)留在200公里環(huán)月軌道運(yùn)行，等待上升器的歸來(lái)。著上組合體則通過(guò)2次降軌變軌至近月點(diǎn)15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)200公里的著陸準(zhǔn)備軌道，進(jìn)行為期兩天左右的環(huán)月飛行。

05.月面下降

著上組合體要執(zhí)行落月任務(wù)。這一過(guò)程在嫦娥三號(hào)、四號(hào)任務(wù)中已經(jīng)得到成功實(shí)踐。因?yàn)殒隙鹞逄?hào)著陸重量比嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)要重很多，所以著陸時(shí)間增長(zhǎng)至15分鐘左右，風(fēng)險(xiǎn)也更大一些。

在機(jī)器視覺(jué)全自主避障系統(tǒng)、7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)與水平機(jī)動(dòng)推力器的綜合作用下，嫦娥五號(hào)可實(shí)現(xiàn)較高精度的月面著陸。著陸的目標(biāo)地是月球正面呂姆克山脈附近。該山脈坐落在月球北緯40.8°、西經(jīng)58.1°處，面積大、邊緣很陡、山頂比較平坦。

06.月面工作

嫦娥五號(hào)著上組合體的月面工作時(shí)間設(shè)定為48小時(shí)，目標(biāo)是采集約2公斤的月球樣品。

采樣方式分為表取和鉆取。這兩種方式互相補(bǔ)充，既能夠獲得表層或次表層月壤，又能夠采集深層樣品，獲得層理信息。為此，著上組合體配備了人類迄今為止最為全面的地外天體樣本抓取機(jī)構(gòu)。其中，鉆取采樣裝置可以鉆取月面下2米深度的月巖樣本；表取采樣裝置則由四自由度機(jī)械臂與末端采樣器組成，基于機(jī)械臂功能可以實(shí)現(xiàn)大范圍多樣化采樣。

嫦娥五號(hào)采樣目標(biāo)約2公斤月球樣品，在無(wú)人采樣領(lǐng)域堪稱佼佼者。此前人類曾發(fā)射3艘無(wú)人月球采樣飛船，獲取的月壤總量也僅有326克。

月面采樣任務(wù)結(jié)束后，完成月球樣本密封封裝工作的上升器，準(zhǔn)備從月面點(diǎn)火起飛。

07.月面上升

月面起飛是一個(gè)從未進(jìn)行過(guò)的高難度動(dòng)作。軌道設(shè)計(jì)、起飛測(cè)控、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流等都是核心難題。

在研制過(guò)程中，嫦娥五號(hào)全尺寸羽流導(dǎo)流綜合驗(yàn)證試驗(yàn)充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性與正確性，月面起飛用3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)了嚴(yán)苛的考驗(yàn)，GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)也對(duì)垂直上升段、上升調(diào)姿段、軌道入射段進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真。

不同于地球環(huán)境，從月球表面起飛存在很多未知因素。比如，月面軟著陸過(guò)程無(wú)法保證精確的水平姿態(tài)，同時(shí)也無(wú)法提供完備的起飛、發(fā)射支持；月塵對(duì)設(shè)備的影響未知。在GNC系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)的共同作用下，上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面，也要能夠安全起飛。

此次月面發(fā)射的窗口期很短，上升器和軌返組合體要精準(zhǔn)考慮測(cè)控需求、光照需求以及姿態(tài)控制要求，以確保交會(huì)對(duì)接的順利完成。

08.月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移

上升器從月面起飛，進(jìn)入近月點(diǎn)15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)180公里的目標(biāo)軌道，經(jīng)過(guò)兩天的環(huán)月飛行，完成與軌返組合體之間的遠(yuǎn)程導(dǎo)引，進(jìn)入自主近程交會(huì)段后，在交會(huì)對(duì)接敏感器導(dǎo)引下于3.5小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩器對(duì)接。對(duì)接之后，上升器將樣品轉(zhuǎn)移至返回器。

不同于載人航天工程的地球近地軌道交會(huì)對(duì)接，嫦娥五號(hào)要突破的是首次在38萬(wàn)公里以外的月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)。除了要攻克深空軌道多目標(biāo)高精度制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，還需要輕量化的對(duì)接系統(tǒng)。

“神舟”與“天宮”交會(huì)對(duì)接是體量相當(dāng)?shù)目臻g目標(biāo)撞擊，而嫦娥五號(hào)的軌返組合體超過(guò)2噸，上升器才幾百公斤。為了保證彼此的安全，要改撞擊為?？孔ゲ?。軌返組合體要主動(dòng)對(duì)接上升器，呈現(xiàn)大追小的復(fù)雜工況。

為了解決這一難題，一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。它采用捕獲、校正、鎖緊、自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能一體化設(shè)計(jì)，在無(wú)人交會(huì)對(duì)接的同時(shí)，通過(guò)連桿式的轉(zhuǎn)移裝置實(shí)現(xiàn)樣品容器自動(dòng)轉(zhuǎn)移。

09.環(huán)月等待

完成對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移后的上升器使命終結(jié)，與軌返組合體再次分離。緊接著，軌返組合體將進(jìn)入為期5～7天的環(huán)月等待飛行，等待進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道的合適窗口，全力以赴做好返回地球的準(zhǔn)備。

10.月地轉(zhuǎn)移

當(dāng)月地轉(zhuǎn)移軌道窗口到來(lái)時(shí)，軌道器3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火加速飛向地球。嫦娥五號(hào)軌返組合體帶著月球采樣樣品滿載而歸。當(dāng)距離地球約5000公里高度時(shí)，軌返組合體建立分離姿態(tài)，隨后二者分離，返回器即將回到地球的懷抱。

11.近第二宇宙速度再入大氣層

以往神舟飛船再入大氣層的初始速度是7.6公里/秒，所承受的再入大氣燒蝕溫度在2000攝氏度左右，而嫦娥五號(hào)的返回器則將以約11公里/秒的近第二宇宙速度再入大氣層，與大氣摩擦的燒蝕溫度將近3000攝氏度。

為了抵御高溫?zé)g，返回器應(yīng)用了強(qiáng)大的防熱燒蝕材料。艙體承受高溫?zé)g的同時(shí)還面臨氣動(dòng)減速難題。

工程師們創(chuàng)新設(shè)計(jì)出高速半彈道跳躍式返回軌道，就像打水漂一樣。返回器第一次再入大氣后，在距地面約60公里處利用大氣升力再度反彈回太空，然后第二次再入大氣層實(shí)現(xiàn)減速。

返回器在距離地面接近1萬(wàn)米高度時(shí)，減速傘與主傘相繼拉出，最終將著陸于內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)。★