嫦娥五号的多个 “首次”

作为我国探月工程 “绕、落、回” 三步走中的收官之作,嫦娥五号有望实现我国航天史上多个 “首次”。

图 | 嫦娥五号工作过程(来源:微博 太空精酿)

首次月面自动采样与封装

作为此次任务的核心关键之一,月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段,嫦娥五号探测器将在月面选定区域着陆,并采集月壤,实现我国首次月面自动采样与封装。

为此,中国航天科技集团五院的设计师们为嫦娥五号精心设计了两种 “挖土” 模式:钻取和表取。当嫦娥五号着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面后,就会开始为期两天的月面工作,采集约 2 千克月壤并密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移与再入回收等过程将月球样品安全送回地球家园。

首次月面起飞上升

当嫦娥五号探测器完成月面工作后,就要踏上 “回家” 的旅程。回家第一步如果顺利迈出,将会突破我国航天史上另一个首次 —— 月面起飞上升。嫦娥五号顺利完成月壤采样封装后,上升器就要准备月面点火起飞了。运载火箭在地球起飞是有一套完备发射塔架系统的。月面起飞就不一样了,由于月球表面环境复杂,这给着陆器起飞带来了很大难度。此外,嫦娥五号在月面起飞必须依靠自身力量实现起飞时的自主定位、定姿。

首次实现月球轨道交会对接

当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,嫦娥五号一路飞奔而去。但仅依靠上升器是不可能实现返回地球的,它需要飞到月球轨道上与轨返组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。然而,在 38 万公里外的月球轨道上实施无人交会对接不仅在我国尚属首次,在人类航天史上也是第一次。

首次带月壤高速再入返回地球

当返回器带着月壤从 38 万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来,这时它的飞行速度接近每秒 11 公里的第二宇宙速度,一般从近地轨道返回的航天器速度则大多为每秒 8 公里的第一宇宙速度。这每秒 3 公里的差距给航天器再入返回地球带来巨大难度,一旦速度过猛,返回器就会一头撞向地球。

因此,在这一过程中必须让返回器减速飞行。对此,科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,让返回器先是高速进入大气层初次减速,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再入大气层二次减速,最后返回地面,确保嫦娥五号安全顺利降落。

嫦娥五号的国际关注

此前,嫦娥五号的成功落月引发了国际技术界强烈关注。特别是 space．com,在着陆成功 15 分钟后就第一个发了正式新闻,表示了祝贺。随后,路透社和 spaceflight 也纷纷跟进了报道,俄罗斯航天局与欧空局也发来贺电。

据塔斯社报道,当地时间 12 月 1 日,负责国际合作的俄罗斯联邦航天局副局长谢尔盖?萨伐黎耶夫称,俄罗斯联邦航天局对嫦娥五号探测器成功落月表示祝贺。

萨伐黎耶夫说:“中国国家航天局完成了一次月球探测器采样返回任务中的落月环节,这是中国航天事业上真正的历史性事件,是中国太空探索史上的首次。” 他还祝愿嫦娥五号探测器能够成功将月球土壤样本带回地球,圆满完成中国的科学计划。他还表示,月球研究仍然是所有国家太空计划的优先事项,俄罗斯与中国定期讨论在这一领域的发展合作。

图 | 托马斯?祖尔布琴博士推文截图 (来源:Twitter)

当地时间 12 月 1 日晚,欧洲空间局在社交媒体上分享了嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区的消息,并向中国国家航天局表示祝贺。欧空局还表示,通过其全球跟踪站网络,欧空局为嫦娥五号探测器提供了技术支持。

在嫦娥五号发射之后,欧空局位于法属圭亚那的库鲁地面站曾对其进行数小时的追踪。而在嫦娥五号返回地球的时候,欧空局将通过位于西班牙的马斯帕洛马斯地面站接收信号。

斯帕洛马斯航天中心主任 拉斐尔?萨哈贡?施瓦兹在接受采访时讲到:“我们将再次担任重要工作,我们将用我们的直径为 15 米的天线,对中国嫦娥五号探测器进入大气层进行追踪。我想强调的是,这个追踪是非常重要的,因为知道探测器进入大气层的确切切入点,就可以知道探测器着陆的具体方位。”

另外,美国国家航天局(NASA)级别最高的科学官员托马斯?祖尔布琴博士(Dr Thomas Zurbuchen)也在境外社交媒体平台推特上对嫦娥五号成功落月表示祝贺。他称这并非易事,当从月球上收集的样本被送回地球后,希望所有人都能从对这种可促进国际科学界进步的宝贵货物进行的研究中受益。在嫦娥五号成功发射升空当天,祖尔布琴也曾发推文向中国表达祝贺。

惊心动魄的 23 天 “探月之旅”

发射入轨阶段

2020 年 11 月 24 日 4 时 30 分,在中国文昌航天发射场,通过长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约 2200 秒后,顺利将探测器送入预定轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。

图 | 嫦娥五号点火(来源:国家航天局)

地月转移阶段

11 月 24 日 22 时 06 分,嫦娥五号探测器 3000N 发动机工作 约 2 秒钟,顺利完成第一次轨道修正,继续飞向月球。

本次嫦娥五号任务发射入轨精度较高,轨道修正量很小。嫦娥五号探测器在飞行过程中,受多种因素影响,会产生轨道偏差,需要根据测定探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差,完成对应的探测器轨道控制,确保探测器始终飞行在适当的轨道上。

截至第一次轨道修正前,嫦娥五号探测器各系统状态良好,在轨飞行约 17 个小时,距离地球约 16 万公里。

11 月 25 日 22 时 06 分,嫦娥五号探测器两台 150N 发动机工作约 6 秒钟,顺利完成第二次轨道修正。

截至第二次轨道修正,嫦娥五号探测器在轨飞行约 41 小时,距离地球约 27 万公里,探测器各系统状态良好,地面测控通信各中心和台站跟踪正常。

近月制动阶段

11 月 28 日 20 时 58 分,嫦娥五号探测器经过约 112 小时奔月飞行,在距月面约 400 公里处成功实施 3000 牛发动机点火,约 17 分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥五号探测器近月制动正常,顺利进入环月轨道。

近月制动是月球探测器飞行过程中关键的轨道控制之一。高速飞行的探测器在靠近月球时,实施 “刹车” 制动,目的是使其相对速度低于月球逃逸速度,从而被月球引力捕获。嫦娥五号探测器在地月转移过程中经历了 2 次轨道修正,达到预期目标。

环月飞行阶段

11 月 30 日 4 时 40 分,在科技人员精确控制下,嫦娥五号探测器组合体顺利分离。探测器各系统状态良好,地面测控通信正常,轨道器和返回器组合体继续在平均高度约 200 公里的环月轨道上飞行并等待上升器交会对接,着陆器和上升器组合体择机实施月面软着陆,进行自动采样等后续工作。

图 | 嫦娥五号探测器再次实施制动(来源:微博 我们的太空)

着陆下降阶段

12 月 1 日 23 时 11 分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经 51．8 度、北纬 43．1 度附近的预选着陆区,并传回着陆影像图。

12 月 1 日 22 时 57 分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约 15 公里处开始实施动力下降,7500 牛变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球速度从 约 1．7 公里 / 秒降为零。期间,探测器进行快速姿态调整,逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测,选定着陆点后,开始避障下降和缓速垂直下降,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

着陆过程中,着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。成功着陆后,着陆器在地面控制下,进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作,正式开始持续约 2 天的月面工作,采集月球样品。

图 | 嫦娥五号探测器(来源:微博 我们的太空)

图 | 嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像(来源:国家航天局)

月面工作阶段

12 月 2 日 4 时 53 分,探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。探测器于 12 月 1 日 23 时许成功着陆月面后,开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。

着陆器和上升器组合体按计划进行表取采样,嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合,多点采样的方式,设计了钻具钻取和机械臂表取两种 “挖土” 模式。

图 | 嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后全景相机环拍成像 (来源:微博 我们的太空)

12 月 2 日 22 时,经过约 19 小时月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,并按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

图 | 嫦娥五号挖土工作过程 (来源:国家航天局)

月面上升阶段

12 月 3 日 23 时 10 分,嫦娥五号上升器 3000N 发动机工作约 6 分钟,成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

与地面起飞不同,嫦娥五号上升器月面起飞不具备成熟的发射塔架系统,着陆器相当于上升器的 “临时塔架”,上升器起飞存在起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异等问题;另外由于月球上没有导航星座,上升器起飞后,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

点火起飞前,着上组合体实现月面国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的 “独立展示”。

点火起飞后,上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入预定环月飞行轨道。随后,上升器将与环月等待的轨返组合体交会对接,将月球样品转移到返回器,后者等待合适的月地入射窗口,做好返回地球的准备。

图 | 嫦娥五号着陆器和上升器组合体全景相机拍摄五星红旗在月面成功展开 (来源:国家航天局)