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嫦娥五号取月壤,中国探月的“一小步”(2)

嫦娥五号取月壤,中国探月的“一小步”(2)
2020-11-24 06:29:26 新京报

四大金刚,兵分两路

月球绕、落、回的每一步,都是一次技术的跨越。嫦娥五号在嫦娥三号、四号落月的基础上,还将实现一系列从未有过的高难度操作。

8.2吨的嫦娥五号,由四个器组成,包含15个分系统。这四个器是单独的个体,也能组合在一起。着陆器和上升器“抱”在一起,就组合成了“着陆上升组合体”,即“采样分队”;轨道器和返回器组合成“轨道返回组合体”,即“绕月分队”。

中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科学技术委员会副主任于登云接受新京报记者采访时,科普了嫦娥五号整个任务过程:

在月球轨道上,“采样分队”和“绕月分队”分离,“绕月分队”继续环绕在月球轨道,“采样分队”落到月面,采集月表样品;

采集完以后,上升器带着样品在着陆器平台上点火起飞,在月球轨道上与“绕月分队”对接。组合飞行期间,上升器将样品转移给返回器,再次分离,轨道器带着返回器向地球飞;

在距离地球大约5000公里的时候,轨道器与返回器分离,返回器回到地球,落在内蒙古四子王旗着陆场。

最终,着陆器留在月球表面,上升器在月球轨道环绕,轨道器留在地月之间,返回器回到地面,样品就在其中。

返回也是步步惊心。当嫦娥五号以第二宇宙速度向地球冲来,如果一猛子扎进大气层,一旦速度过猛,来不及减速,可能会撞毁。

为此,嫦娥工程中罕见地增加了一次试验飞行的任务,目的是验证一种特殊的返回方式。这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器——“嫦娥-5T”任务。

于登云曾回忆,以王礼恒院士为代表的几位航天权威专家认为,高速返回任务是第一次实施,直接关系到探月三期工程的成败,如果不事先验证,将留下巨大风险。

“嫦娥-5T”当年并没有落月,在月球飞了几圈之后便返回地球,重头戏是在地球大气层打个“水漂”。“嫦娥-5T”进入大气层后,借助大气层的升力又跃出来,然后再次进入。一进一出,便实现了减速,从第二宇宙速度降至第一宇宙速度。

这种半弹道跳跃式再入返回技术方案,使结构和防热系统的压力都得到缓解,也使航程和落点达到理想的结果。这次,嫦娥五号返回器就将这么回来。

嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接效果图,将把月球样品转移到返回器内。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接效果图,将把月球样品转移到返回器内。图/中国航天科技集团八院

高难度方案为载人登月验证技术

“整个过程都很复杂,每个环节都不能出错,否则整个任务就受到影响。”于登云说,其中最重要的创新,是嫦娥五号四个器在月球轨道的分离和对接。

40多年前的航天技术,与当今不可同日而语,嫦娥五号采样方案也与美苏完全不同。苏联无人采样任务中没有采用交会对接,探测器直接从月面返回地球,美国则是由航天员在月面进行人工采样。嫦娥五号虽然也是无人采样返回,却让探测器“分兵作战”,以交会对接的方式转移样品和返回。

为什么不像苏联一样,让探测器直接飞回地球呢?主要是因为我国目前火箭运载能力的限制,无法在一开始就携带足够的燃料,让探测器可以整体着陆、起飞。

“可以说,我国无人自动采样返回方案,是在汲取美国有人采样和苏联无人采样的经验教训基础上,结合我国实际情况走出的一条新路,”于登云说,“这是一个创新,当然难度也更大。”

人们常将两个航天器的交会对接形容为“太空之吻”。如果地球轨道上的飞船与空间站对接是“吻”,那么,远在月球轨道上的嫦娥五号对接,因为更远的距离、更小的对接机构、自动的对接程序等条件,堪比“太空穿针”。

虽然我国已掌握空间交会对接技术,进行了多次飞船的交会对接,但神舟飞船的交会对接是在400公里左右高度的地球轨道,而嫦娥五号是在距地球38万公里的月球轨道上,难以进行人工干预,完全依靠自主进行。同时,也无法借助导航卫星的帮助,这就需要突破月球轨道测控精度、月球轨道敏感器交互、轻小型航天器对接等多项技术。

选择这一方案,还有另外一个目的,就是尽可能为未来载人登月做技术储备。

据官方介绍,嫦娥五号探测器将重点实现三大工程目标:突破一系列关键技术,提升我国航天技术水平;实现首次地外天体自动采样返回,推进我国科学技术重大跨越。另外,完善探月工程体系,为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

于登云说,载人登月必然要在月球轨道交会对接,这是最安全也最经济的方式。美国阿波罗计划就是这么做的,他们在载人登月之前,也做过月球轨道交会对接试验。

“所以我们通过无人采样返回兼顾了两件事,这应该是中国方案最大的亮点。”他说。

嫦娥五号轨道器与返回器向地球返回效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号轨道器与返回器向地球返回效果图。图/中国航天科技集团八院

最年轻的月球土壤

自1976年以后,全球再也没有探测器在月面进行过探测。直到2013年起,中国的嫦娥三号、四号和五号,重启了月面探测。

半个世纪前,美苏从月球带回的300多千克样品,为人类认识月球和太阳系,递过来一把钥匙。通过对月壤样品的分析,科研人员确定,月壤由微小的桔红色玻璃形式颗粒构成,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,在月壳部分融化过程中,在月面下约300千米深处形成,后因火山活动而喷出到月面。

美国航天员钻取了3米深的月球岩芯,发现土壤多达57层,每一层就是一次陨石冲击,还测量了月球内部发出的热流,从而结束了100多年来关于月球是冷还是热的争论。尤其重要的是,1985年科学家们通过样品分析,证实了月球上存在核能源氦-3,为后来月球研究和探测注入了巨大动力。

“氦-3是理想、安全、高效的核聚变燃料,这种资源地球上很少,只有10吨到15吨左右,而月球上的氦-3至少有约100万吨。如果开发出来进行核聚变发电,能满足地球上一万年的能源使用。”庞之浩说。

科学家从月球上发现了越来越多可以利用的元素,比如土壤和岩石中可以制取水和氧,氧化铁的含量也很高。这些元素都可以加以利用,成为未来建立月球基地的能量来源。

此次嫦娥五号采集的样品,又将带来什么新的讯息?

根据相关介绍,嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,此地从未有其他国家的探测器到访过。这里存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,人类目前尚未有这一时段的月球样本。获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

《自然》杂志近日发表的文章称,此前对月壤样品的研究表明,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。

如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动,将改写对月球历史的认识。

嫦娥五号着陆器与上升器组合体向月表降落效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号着陆器与上升器组合体向月表降落效果图。图/中国航天科技集团八院

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