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望“嫦五”奔月 盼“採樣”首歸(科技自立自強・逐夢深空)

望“嫦五”奔月 盼“採樣”首歸(科技自立自強・逐夢深空)

嫦娥五號飛行的11個階段示意圖

長征五號遙五運載火箭發射。  本報記者 雷 聲攝

嫦娥五號探測器在月面工作示意圖。  國家航天局供圖

黨的十九屆五中全會提出,堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位,把科技自立自強作爲國家發展的戰略支撐。

以探索太陽系和宇宙的起源、發展和演化爲科學總目標的深空探測,是一個國家科技發展水平的體現。經過幾代人辛勤耕耘與開拓,我國航天事業取得一系列重大成就。從探月工程穩步推進到首次火星探測任務“天問一號”探測器成功發射,我國深空探測深度和廣度不斷拓展,帶動我國航天技術進步,促進科學認知重大創新。

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本版今起推出“科技自立自強・逐夢深空”欄目,關注在走出地球、邁向深空的過程中,我國航天科技的最新進展,探尋更多創新密碼。

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――編 者

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11月24日凌晨,中國探月工程嫦娥五號探測器在文昌航天發射場順利升空,踏上征程。這是探月工程的第六次任務,也是我國航天領域迄今爲止最複雜、難度最大的任務之一。嫦娥五號探測器不僅要成功落月,還要實現月面採樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回地球等多個首創性的任務環節,整個過程分爲11個階段,每段都不能出差錯。

出 發

任務將經歷11個階段、約23天在軌飛行

探測器由軌道器、返回器、着陸器、上升器組成

國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹,探月工程三期將實現我國首次月球無人採樣返回任務,是探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步發展戰略的最後一步。

“我國探月工程2004年立項,從2007年10月實施嫦娥一號任務,到2013年實施嫦娥三號任務,已成功完成環繞和着陸巡視的前兩個目標。嫦娥五號任務,實現在月球預定區域的採樣並返回地球,標誌着我國將圓滿完成探月工程‘三步走’戰略規劃,其成功實施對於開啓月球與深空探測新徵程,建設航天強國有着重要的里程碑意義。”裴照宇說。

去月球“挖土”,是很多人對嫦娥五號任務的通俗解讀。事實上,嫦娥五號任務將重點實現三大工程目標,一是要突破一系列關鍵技術,提升我國航天技術水平;二是要實現首次地外天體自動採樣返回,推進我國科學技術重大跨越;三是要完善探月工程體系,爲載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。此外還將開展一系列科學探測,如着陸區的現場調查和分析,月球樣品的分析與研究等。

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發射成功只是一個開始。整個任務嫦娥五號將經歷11個階段、約23天的在軌飛行過程,採集約兩千克月球樣品返回地球。從任務的操作來看,一次探月飛行包括兩次發射(地面發射與月面發射),兩次着陸(月面着陸與地球着陸),兩次封裝(月面封裝與月軌封裝),一次交會對接(月軌對接)。

裴照宇表示,嫦娥五號任務順利完成,將有望實現中國航天史上5個“首次”:一是地外天體的採樣與封裝,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。這將是我國航天技術的一次重大跨越,爲我們進一步認識月球提供重要支撐。

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嫦娥五號探測器長啥樣?中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹,與嫦娥一號、二號、三號、四號相比,嫦娥五號的技術跨度大、結構也更爲複雜,由軌道器、返回器、着陸器、上升器4個器共15個分系統組成。

上升器的作用主要是在月面起飛上升,在月面上將收集到的樣品準備好,然後攜帶樣品從月球表面起飛,進入環月軌道後和軌返組合體進行交會對接,將月面樣品轉移到返回器中。着陸器的主要功能則是攜帶上升器降落在月球表面,通過兩種採樣方式完成月球表面的採樣和封裝,再將其放置在上升器的密封封裝裝置裏。返回器完成月球軌道交會對接之後,攜帶月面樣品再入返回地球。軌道器則主要承擔在各個不同的軌道上飛行的功能。

落 月

着陸點選擇在人類探測器從未到達過的月球正面西北部風暴洋地區

將主要採用機械臂表取和鑽具鑽取兩種採樣方式

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作爲此次任務的核心關鍵之一,月球表面自動採樣封裝是最引人注目的環節。與其他國家實施的月球採樣相比,嫦娥五號獨具特色,既要實現採樣效率的提升,又要考慮到面向未來的技術積累。

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這種獨特首先體現在着陸區的選擇上。專家介紹,此次嫦娥五號將降落在月球正面西北部風暴洋地區,過去還沒有人類的探測器到達過。根據目前的研究成果,科學家們認爲這塊區域形成的地質年代比較短。因此,選擇風暴洋地區着陸並採樣,可以構成對月球形成和演化過程更完整的認識和了解。

嫦娥五號的工作方式也獨具特色。裴照宇說,嫦娥五號主要採用機械臂表取和鑽具鑽取兩種採樣方式,“可靠性更高,同時增加了樣品的多樣性,既有表面的樣品,也有月球內部的樣品。”專家介紹,着陸器隨身攜帶了鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”,採取深鑽、淺鑽,“剷土”“挖土”“夾土”等方式,採集約兩千克月壤並進行密封封裝,最終將月球樣品安全送至地球家園。

首次月面採樣,困難可不少。彭兢說,月面採樣裝置是全新研製的,技術新、難度大,需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束。採樣期間還要面臨月面高溫工作環境,同時採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素也很多。着陸器的落點位置,目前預計是較爲鬆軟的地表,但由於着陸器着陸後不能移動,鑽取採樣裝置正下方的地面到底是鬆軟的土壤還是堅硬的岩石,都具有不確定性,也都影響着採樣計劃的順利完成。

距人類上一次從月球採樣至今,已有40多年的時間沒有拿到新的月球樣品。此次嫦娥五號任務帶回的月壤,將如何管理使用?裴照宇透露,有關部門已經編制了相關的月球樣品管理辦法,會在樣品返回地球之後發佈。科學家表示,對月壤的研究不僅涉及月球本身,還包含太陽系空間物質和能量的重要信息。將月球的月壤等關鍵性樣品運回地面實驗室供科學家進行精準分析研究,有利於進一步瞭解月球的狀態、溫度、物質含量等重要信息,深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識。據瞭解,已有不少國外科學家和航天機構提出,希望利用中國獲得的月球樣品開展研究。

返 程

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將實現首次月面起飛、在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接、半彈道跳躍式再入返回等多項技術突破

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完成月面工作後,嫦娥五號將踏上回家的旅程。

第一道難關,就是首次月面起飛上升。在月面起飛,沒有成熟完備的發射塔架,着陸器就相當於上升器的發射塔架。月球表面環境複雜,着陸器不一定是四平八穩的狀態,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。此外,還要克服地月環境差異、發動機羽流導流空間受限等難題。月面起飛的時候,必須依靠航天器實現起飛時自主定位、定姿。

第二道難關是交會對接。上升器需要飛到月球軌道上,與軌返組合體交會對接,把採集到的月壤轉移到返回器。而在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接,不僅在我國尚屬首次,而且也是人類航天史上的第一次。嫦娥五號採用具有世界先進水平的月球軌道交會對接技術。從上升器進入環月飛行軌道開始,一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移爲止,設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作,助推嫦娥五號實現完美對接。

嫦娥五號軌返組合體帶着月球採樣產品,將在距離地球5000公里高度處,實現軌道器和返回器的分離。返回器要經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收着陸3個階段,平穩安全地降落在預定地點。裴照宇說,爲了讓嫦娥五號順利返回地球,科研人員提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在太空打水漂一樣,讓返回器先高速進入大氣層初次減速,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,然後以第一宇宙速度扎入大氣層再次減速,返回地面。

“嫦娥五號任務對於‘繞、落、回’整體規劃來說,是收官之作;而對於我國未來的月球探測來說,是一個奠基之作。”裴照宇表示,“繞、落、回”之後,我國將與各國合作共建國際月球科研站。

據介紹,探月工程三期規劃實施兩次採樣返回任務,分別是嫦娥五號和嫦娥六號。在探月工程三期研製過程中,對後續的月球探測也進行了論證,規劃了嫦娥七號和嫦娥八號任務,這兩次任務目標是建設月球科研站基本型。中國向國際社會發出了倡議,希望與世界各國合作,共建國際月球科研站,這將爲月球科學探測和月球相關技術的實驗提供共享平臺。

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