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“嫦娥五号”将带回中国采集的第一杯月壤

11月24日4时30分,中国探月工程“嫦娥五号”探测器,在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,由长征五号遥五运载火箭发射升空。火箭飞行约2200多秒后,成功将“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道,打响探月工程的收官之战。

我国探月工程分为“绕、落、回”三步走战略,此次“嫦娥五号”探测器将执行月球采样返回任务,完成三步走中的最后一步——“回”。此次任务将首次实现我国在地外天体无人采样,并以无人月球轨道交会对接的方式带样返回,完成探月工程的总体规划目标。

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最胖与最重的“强强联合”

此次担任“嫦娥五号”探测器发射任务的是长征五号遥五运载火箭,这也是长征系列火箭第五次护送“嫦娥”。长征五号运载火箭也被航天迷们亲切地称为“胖五”。之所以称它为“胖五”,就是因为长征五号在长征系列火箭中芯级直径最大,是中国首型5米芯级直径的新一代大推力运载火箭。

与“胖”相对应的是其运载能力。长征五号运载火箭是我国新一代大推力低温液体运载火箭,总长约57米,起飞重量约870吨,起飞推力超过1000吨,近地轨道运载能力可达25吨级,地球同步轨道运载能力可达14吨级,运载能力、运载效率等重要性能指标均居世界先进水平,是目前我国运载能力最大的火箭。

之所以选择“胖五”来“背”嫦五,是因为“嫦娥五号”探测器为我国目前发射的重量最重的探测器,重达8.2 吨。最胖的火箭搭载最重的探测器,“强强联合”,堪称2020年中国航天最具分量的一次发射。

与其他火箭相比,长征五号系列火箭体积最大、能力最强,准备时间最长,在高密度发射状态下,研制团队采取多发并行的方式,分别在北京、天津、文昌同步开展工作,才保证了“嫦娥五号”按时从地球出发。

“在长征火箭家族中,只有长征五号运载火箭可以将这么重的载荷直接送入地月转移轨道,这是对运载火箭能力的集中检验,也是对中国航天能力的最佳注解。”长征五号火箭第一总指挥、中国航天科技集团一院党委书记李明华介绍称。

发射近乎“零窗口”,设计多条发射轨道

地月转移轨道是一个大椭圆的轨道,近地点高度约200公里,远地点高度约41万公里。长征五号运载火箭可将“嫦娥五号”探测器直接送入地月转移轨道,不需探测器自身加速,只要沿着地月转移轨道飞行,就可以到达近月点附近,探测器在近月点附近实施制动减速后,进入环绕月球的轨道,就可以进行后续下降、上升、返回等一系列工作。

由于地月转移轨道的近地点和远地点高度悬殊,所以选取合适的窗口发射至关重要。本次任务发射窗口不仅受地球和月球之间的相对距离、运动规律的影响,要满足地球和月球之间距离最短的条件,还需满足轨道分析与轨道设计最恰当,所以窗口相对较短。在常规发射任务中,一枚火箭设计一条轨道就可以满足需求。而嫦娥五号任务的窗口只有3天,每天50分钟,也就意味着此次发射是一次接近于“零窗口”的发射。

为确保火箭在珍贵的窗口前沿准时发射,研制团队采取了变射向、变滑行时间的多轨道奔月发射方案,应用“窄窗口多轨道”技术,针对每天50分钟的发射窗口分别设计了5条发射轨道,以覆盖窗口宽度。在发射窗口期内,可根据发射时间通过软件自动选择发射轨道。

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任务最复杂,将首次带回月球样品

作为我国探月三期工程采样返回任务的核心,“嫦娥五号”探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统,由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个器以及15个分系统组成。在此次任务中,“嫦娥五号”将实现我国首次月面自动采样返回,开展月球样品地面分析研究等任务目标。发射成功后,“嫦娥五号”将经过着陆器落月、月表采样,月球起飞,轨道对接,样品转移,返回器返回等11个阶段,20余天的在轨飞行过程,采集约2千克月球样品返回地球。

根据计划,“嫦娥五号”于11月下旬登陆月球,在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近,并钻取约2米深的月壤岩芯柱,共采取2千克重的月球土壤样品。

“嫦娥五号”无人采样器通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法获取月球样品后,需要转移到上升器里,上升器与轨道器对接后,又要将上升器里面的样品通过轨道器转移到返回器里面。这也是此次任务技术难度最大的关键环节之一,为科研人员带回中国人采集的第一杯月壤。

距地38万公里对接,完成“月轨之吻”

样品完成后,上升器和轨道器、返回器将在月球轨道完成对接,则是另一大技术难点。虽同名“交会对接”,但“嫦娥五号”采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天近地轨道交会对接技术有很大区别。

与距地数百公里的近地轨道对接不同,此次对接是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接。人类此前三次无人月球采样任务,由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术,采用的都是月面起飞直接返回地球的方案。所以此次任务不仅在我国尚属首次,而且也是人类航天史上一次月球轨道无人自动交会对接和样品转移。

当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,“嫦娥五号”将一路飞到月球轨道,与在轨道上的轨道器、返回器组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。

完成“月轨之吻”后,嫦娥五号将带着四个“首次”,即首次月面自动采样、首次月面起飞上升、首次实现月球轨道交会对接、首次带月壤高速再入返回地球,成为嫦娥家族首个奔月后能“回家”的探测器。

责任编辑:张致铖

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