嫦娥五號(hào)出發(fā)，力爭實(shí)現(xiàn)中國航天史上5個(gè)“首次”

2020年11月24日，嫦娥五號(hào)探測器在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走中，第三步的首次任務(wù)。

由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制的嫦娥五號(hào)探測器，是迄今為止我國研制的最為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成，包含15個(gè)分系統(tǒng)。在此次任務(wù)中，嫦娥五號(hào)將經(jīng)歷11個(gè)飛行階段，20余天的在軌飛行過程，采集約2公斤月球樣品返回地球。

國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，如果任務(wù)取得成功，有望創(chuàng)造我國航天史上的5個(gè)“首次”。

多種方式的月面自動(dòng)采樣

作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動(dòng)采樣封裝是嫦娥五號(hào)任務(wù)中最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)。

記者從航天科技集團(tuán)五院了解到，嫦娥五號(hào)將在月面選定區(qū)域著陸，使出渾身解數(shù)采集月壤，實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體采樣與封裝。

五院設(shè)計(jì)師們采用表鉆結(jié)合，多點(diǎn)采樣的方式，精心設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。

當(dāng)著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面，嫦娥五號(hào)就開始為期2天的月面工作。它隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等，將科學(xué)分工、精密配合，采取深鉆、淺鉆、“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約2公斤月壤并進(jìn)行密封封裝。

據(jù)五院專家介紹，嫦娥五號(hào)任務(wù)采樣裝置為全新研制，技術(shù)新、難度大，需要考慮飛行任務(wù)以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束；采樣期間面臨月面高溫的工作環(huán)境；采樣任務(wù)時(shí)序緊張、機(jī)構(gòu)動(dòng)作多、不確定因素多。因而采樣封裝是此次任務(wù)的核心環(huán)節(jié)之一。

月面起飛全靠航天器自力更生

完成月面工作后，嫦娥五號(hào)就要踏上歸途。從月球回家可不容易，第一步能否邁好至關(guān)重要，這要突破我國航天史上另一個(gè)首次——月面起飛上升。

嫦娥五號(hào)上升器在月面點(diǎn)火起飛，是一個(gè)高難度科目。

眾所周知，運(yùn)載火箭在地球起飛有一套完備的發(fā)射系統(tǒng)，點(diǎn)火起飛位置經(jīng)過精確測算，飛行軌道也是一遍遍計(jì)算好的。

而月面起飛就不一樣了，沒有一馬平川的發(fā)射場，更沒有成熟完備的發(fā)射塔架，上升器只能站在著陸器身上發(fā)射。而月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是平穩(wěn)狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上，這都會(huì)增加起飛的難度。總而言之，整個(gè)起飛過程只能依靠航天器自力更生。

五院專家介紹，面對傾斜發(fā)射的技術(shù)難題，需要明確起飛穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)精確入軌，必須通過大量地面仿真和試驗(yàn)對起飛上升發(fā)動(dòng)機(jī)開展驗(yàn)證。但月面環(huán)境的特殊性，低重力、高真空等環(huán)境模擬使得地面驗(yàn)證較為困難。

經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)，五院科研團(tuán)隊(duì)成功開展了各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證任務(wù)，護(hù)送嫦娥五號(hào)離開月球。

人類首次月球軌道無人交會(huì)對接

嫦娥五號(hào)上升器從月面起飛后，將飛到月球軌道上。但要它憑借一己之力將月球樣品送回地球，卻非力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器、返回器組合體交會(huì)對接，把樣品交給返回器，讓其完成接下來的旅程。

上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)成功實(shí)施了3次無人月球采樣任務(wù)，先后利用月球16號(hào)、20號(hào)、24號(hào)探測器，一共從月球取回300多克樣品。全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩向科技日報(bào)記者介紹，蘇聯(lián)采用探測器從月面起飛直接返回地球的方案。探測器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力極為有限。

經(jīng)過幾十年的實(shí)踐探索，我國在載人航天領(lǐng)域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會(huì)對接技術(shù)，但是在38萬公里外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(huì)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，這給五院科研團(tuán)隊(duì)帶來了極大挑戰(zhàn)。

記者從五院了解到，嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對接采用�？孔ゲ妒浇粫�(huì)對接方式，且無衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)支持，對接和樣品轉(zhuǎn)移過程自主性要求很高。這需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會(huì)對接飛行方案設(shè)計(jì)。

同時(shí)，月球軌道交會(huì)對接過程中，地面測控支持能力受限，受到對接機(jī)構(gòu)大小的限制，對接精度的要求較高。此外，嫦娥五號(hào)對接機(jī)構(gòu)中必須考慮樣品轉(zhuǎn)移裝置的設(shè)計(jì)，保證對接精度滿足樣品轉(zhuǎn)移相關(guān)要求。對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)。

從上升器進(jìn)入環(huán)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(zhuǎn)移為止，五院設(shè)計(jì)師為嫦娥五號(hào)精心設(shè)計(jì)了交會(huì)、對接、組合體運(yùn)行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關(guān)鍵動(dòng)作，力助嫦娥五號(hào)精準(zhǔn)完成樣品接力。

帶著月壤高速返回地球

近地軌道航天器再入返回大氣層時(shí)，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號(hào)從月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來，速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。

每秒3公里多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號(hào)沖勁過猛，一頭撞向地球，整個(gè)任務(wù)都將前功盡棄。

為此，科研人員首次提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，就像在大氣層表面打水漂一樣，讓返回器先高速進(jìn)入大氣層，隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進(jìn)入大氣層返回地面。

2014年，我國發(fā)射嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器，模擬了嫦娥五號(hào)奔月、繞月、返回的全過程，并對跳躍式再入返回技術(shù)進(jìn)行了成功驗(yàn)證，使我國成為繼美、蘇之后，世界第3個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國家。

不過，當(dāng)年的試驗(yàn)與如今的任務(wù)尚有細(xì)微差別。五院專家表示，嫦娥五號(hào)再入返回設(shè)計(jì)繼承了此前飛行試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)，任務(wù)再入航程也與飛行試驗(yàn)器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定不確定性，有可能影響返回器的質(zhì)量特性，這對返回器制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的魯棒性（控制系統(tǒng)在一定參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性）提出了較高要求。

除了前述四點(diǎn)，裴照宇還表示，我國將首次實(shí)施完整的月球樣品存儲(chǔ)、分析和研究全過程。

從立項(xiàng)到發(fā)射，嫦娥五號(hào)任務(wù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了10年的艱辛奮戰(zhàn)。圍繞諸多關(guān)鍵核心技術(shù)和難點(diǎn)，五院充分研究繼承低軌道衛(wèi)星、高軌道衛(wèi)星、載人航天交會(huì)對接、地外天體無人著陸與航天器返回等技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合參研單位集中最強(qiáng)陣容攻克難關(guān)，確保了嫦娥五號(hào)探測器方案設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)功能性能滿足任務(wù)的要求，研制過程技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量受控。

在接下來20多天里，嫦娥五號(hào)能否成功完成任務(wù)如期歸來，讓我們拭目以待。