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发稿时间:2020-12-08 20:50:34

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  回家:重返地球的科技之路

  解放军报记者 张新

  特约记者 张未 宋星光

  告别10多天,嫦娥五号踏上了回家之旅!

  嫦娥“游子”归心似箭,祖国母亲期许满满。38万公里漫漫回家路,嫦娥五号每走一步,都让国人无限牵挂。

  月光照亮了“嫦娥”回家的路,也照亮了中国探月梦想的天梯。

  国家航天局探月与航天工程中心副主任、嫦娥五号任务资讯发言人裴照宇先容说,此次嫦娥五号探月返回任务,已创造和将实现5个“中国首次”:一是地外天体的采样与封装,二是地外天体的起飞,三是月球轨道交会对接,四是携带样品高速地球再入,五是样品的存储、分析和研究。

  如果一切顺利,嫦娥五号将把约2000克的月壤样品“打包”带回地球。

  不要小看这个数字,约2000克的目标决定了中国探月的分量,折射出一个国家航天实力的高度。

  “嫦娥”探月的背后,是一项项技术难点的集智突破、一项项创新成果的破壳而生。这些科技成果架起了通往月球的天梯,让中国人走出了一条属于自己的探月之路。

  随着嫦娥五号探月任务进入尾声,中国探月工程“三步走”战略目标即将完成,中国人探索太空的脚步会迈得更大、更远。

  挑战一

  月面起飞

  “摘片月亮”难度大,捎上“特产”要平稳

  在顺利完成月球采样后,嫦娥五号上升器月面点火,轻盈地奔向等待它的太空“母港”——嫦娥五号轨道器和返回器组合体。

  自此,嫦娥五号正式踏上回家之旅。

  从月球出发,把约2000克月壤样品“打包”带回,是这次探月的核心任务。约2000克月壤样品,是月球送给vns85978威尼斯城官网的一份珍贵礼物。

  回家之路,遥遥38万公里,每一步都充满风险与挑战。

  嫦娥五号上升器跨出的第一步——从月面点火起飞,就是一个高难度科目,这是嫦娥五号的亮点,也是任务的难点。

  若飞行器在地球上发射,有专门的发射塔架,点火起飞位置经过精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了——没有成熟完备的发射塔架,上升器只能站在着陆器身上发射。

  嫦娥五号上升器从月面起飞,不确定性非常大,可视为一次从月球发射航天器的无人试验。能否成功起飞关系到后面交会对接能否顺利实现,这一环节是交会对接的起点,需要上升器精确瞄准交会对接的轨道器和返回器组合体。

  正如嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢所言:“这个位置可能会存在一定的偏差,不像在地球表面可以精确到米,在月球上现在的指标可能就是百米量级,这些误差都会影响到入轨的精度。”

  经过一系列技术攻关,嫦娥五号科研团队开展了一系列试验验证,建立了一整套环环相扣的系统,实现了嫦娥五号上升器起飞时自主定位、定姿,护送上升器离开月球。

  所幸,中国航天人付出的一切努力,换来了嫦娥五号上升器的顺利飞天。

  挑战二

  交会对接

  “太空邮差”来帮忙,空中接力送“快递”

  从月面起飞后,嫦娥五号上升器便飞到月球轨道上。但仅凭一己之力将月壤样品送回地球,非其力所能及。它需要在月球轨道上与轨道器和返回器组合体交会对接,把样品交给返回器,让它完成接下来的旅程。

  20世纪70年代,苏联成功实施了3次无人月球采样任务,先后发射“月球16号”“月球20号”和“月球24号”探测器,从月球共带回300多克月壤样品。当时,苏联采用了探测器从月面起飞直接返回地球的方案,这种方案导致探测器需要携带大量燃料,而携带样品的能力却极为有限。

  经过几十年的实践探索,vns85978威尼斯城官网国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术。但在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,还是人类探月史上的第一次。

  此前,嫦娥五号上升器与轨道器和返回器组合体成功上演“月宫之吻”,完成月壤样品的“收件”工作。两个航天器在月球轨道进行无人交会对接,“针尖”对“针尖”,对接相当精准,堪称中国探月的“神来之笔”。

  看似“神来之笔”,背后的技术却异常复杂、难度系数非常高,稍有不慎就会让轨道器这个“太空邮差”白跑一趟。

  过去,天宫一号目标飞行器采用的是“异体同构周边”式对接机构。然而,嫦娥五号上升器与轨道器和返回器组合体的重量相差较大,如果套用过去的“老模式”,一旦控制不好速度和彼此位置,上升器很可能被“撞飞”。这一次,嫦娥五号月球轨道交会对接采用了抱爪式对接机构。

  通俗地讲,抱爪就像手握棍子的动作——两个方向一用力,把棍子牢牢握在手中。探测器的对接机构由3套抱爪构成,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两个航天器的紧密连接。这种全新对接机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。

  此次,由航天科工集团二院研制的嫦娥五号交会对接微波雷达,作为中远距离测量的“助手”,成功引导完成了嫦娥五号的交会对接任务。

  “与近地轨道相比,月球轨道环境更复杂,交会对接对微波雷达的测角精度要求更高。微波雷达主要作用在100公里到20米的中远程范围,精度的提高大幅提升了精准对接的胜算。”交会对接微波雷达总工程师孙武说。

  此外,装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的干扰将会严重影响测角精度。

  为确保安全度过月球之旅,设计师们在应答机上安装了特殊材料制成的防尘罩,“就像戴上了护目镜,嫦娥的‘千里眼’就不会变成近视眼。”孙武说。

  当上升器与轨道器和返回器组合体对接完成后,上升器将装有月壤样品的容器转移到返回器中。月球轨道完成无人样品转移,在人类的航天历史上还是首次。连杆棘爪式转移机构设计得足够巧妙,彭兢作了一个比喻:“这个构型很像扎带,相连后单方向传递,只能前进不能后退。”

  38万公里外,捕获、收拢、转移,高速运行的上升器与轨道器和返回器组合体,每完成一步都让人惊心动魄——相比地球轨道,月球轨道有时延,时间走廊较小、时效性要求高,必须一气呵成完成对接与转移任务。

  当返回器“吞入”样品、关上盖子,轨道器和返回器组合体与上升器分离,在预定时机加速进入月地转移轨道,踏上回家的路。

  在太空飞行时,嫦娥五号犹如变形金刚,要完成不少“花式表演”,而这些都要仰仗轨道器的“本事”和“能耐”。

  为此,中国航天人将“太空邮差”打造成“无敌小能手”。受探测器整体重量约束,“太空邮差”在具备强大承载能力的同时,还能“身轻如燕”。

  挑战三

  返地控制

  飞行控制精度高,如同太空“打水漂”

  与神舟飞船以第一宇宙速度返回不同,此次任务返回器进入大气层的速度接近第二宇宙速度。

  以这样的速度返回地球,如果不能“踩上一脚急刹车”,返回器会在大气层中烧蚀殆尽。

  然而,返回器减速可不像开车踩刹车那么简单。嫦娥五号返回任务,vns85978威尼斯城官网国采用了半弹道跳跃方式,就像在大气层表面“打水漂”——让返回器先高速进入大气层,随后借助大气层提供的升力“跳”起来,再以第一宇宙速度重新进入大气层返回地面。

  这是生死一“跳”。如果“跳”成功,返回器速度会降到第一宇宙速度,后面的过程就轻车熟路了。

  值得一提的是,6年前,vns85978威尼斯城官网国成功发射探月工程三期再入返回飞行试验器,模拟了嫦娥五号奔月、绕月、返回的全过程,并对半弹道跳跃方式进行了成功验证,使vns85978威尼斯城官网国成为继美、苏之后,世界第3个成功实施航天器从月球轨道重返地面的国家。

  即使采用半弹道跳跃方式返回,返回器再入大气层仍然会面临热控方面的挑战。返回器再入速度大、时间长,表面温度最高可达2000多摄氏度,如果传导到内部,将对携带的月壤样品产生影响。

  为此,中国航天人采取了一系列措施来保证嫦娥五号返回器平安回家——

  巧妙设计返回器外形。返回器就像一个窝头,侧面挖一个洞,洞里面就是推力器。在大气层飞行时,返回器不仅会受到阻力,也会产生一定升力。靠着这一点点升力,返回器就能成功实现半弹道跳跃方式返回。

  为返回器披上“防热服”。返回器采用蜂窝结构防热层,里面填充了新型耐烧蚀材料。在气动加热导致温度升高时,这种新型材料能让返回器与热流有效隔绝。

  自主飞行过“黑障”。返回器两次高速进入大气层都会产生“黑障”现象。高速摩擦会使返回器表面气化,产生等离子鞘套,屏蔽了返回器与地面的联系。虽然“黑障”过程中天地通信中断,但并不意味着返回器会失控,一些重要指令在进入“黑障”前已经写入返回器,返回器可以按照预设内容来实行指令。

  回收开伞成功率更高。在距地面10多公里处,返回器需要借助降落伞进行回收着陆。中国航天人为它量身打造了轻小型化回收系统,通过优化降落伞的结构设计、采用先进材料和制造技术,实现与伞衣连接的伞绳在承受力度不变的前提下减重20%以上;为确保安全可靠,在弹伞、脱伞等环节上都设计了备用方案,以实现“双保险”。多管齐下,确保第一时间回收返回器。

  不知不觉,嫦娥五号已经与vns85978威尼斯城官网分别了10多天。

  短暂的告别,是为了更好的相聚。在接下来的日子里,vns85978威尼斯城官网期待嫦娥五号能够顺利完成任务。

  嫦娥五号,等你回来!

【编辑:黄钰涵】
来源:南方日报网络版  责编:热播