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嫦五開啟我國首次地外天體采樣返回之旅 有望實現我國航天史5個首次

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日期:2020-11-25 09:52:21    來源:北京青年報    

24日4時30分,我國在文昌航天發射場用長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器,火箭飛行約2200秒后,順利將探測器送入預定軌道,開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。這是長征五號系列運載火箭的第六次發射,也是2020年第三次執行發射任務。

北京青年報記者從國家航天局了解到,長征五號遙五運載火箭發射升空后,先后實施了助推器分離、整流罩分離、一二級分離以及器箭分離等四次分離。嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成,在經歷地月轉移、近月制動、環月飛行后,著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離,軌道器攜帶返回器留軌運行,著陸器承載上升器擇機實施月球正面預選區域軟著陸,按計劃開展月面自動采樣等后續工作。

三問月球“挖土”

月球“挖土”需要多長時間?

月面工作約2天 總飛行時間約23天

此次采樣包括月球表面的抓取和鉆取巖芯兩種方式,計劃采集2千克月壤樣品并嚴格密封后送回地球。嫦娥五號在月面工作的時間約2天,總飛行時間約23天。嫦娥五號有望實現中國航天史5個“首次”:首次月面自動采樣,首次月面起飛上升,首次實現月球軌道交會對接,首次帶月壤高速再入返回地球,首次大規模進行月壤樣品的存儲、分析和研究。其中,月球表面自動采樣是最引人注目的一個環節。在這個階段,嫦娥五號計劃在月球呂姆克山附近著陸并采集月壤。為此,來自航天科技集團五院的設計師們采用表鉆結合、多點采樣的方式,精心設計了兩種“挖土”模式:鉆取和表取。著陸器和上升器組合體順利軟著陸在月球表面后,嫦娥五號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“神器”將科學分工,精密配合,花2天時間采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等各種方式,采集約2千克月壤并密封封裝送回地球。

月面采樣技能有哪些?

超強鉆頭+機械臂 助力月面自動“挖土”

“有了金剛鉆,才攬瓷器活”,在月面鉆取式“挖土”靠的是鉆取子系統,其核心部件就是鉆頭。嫦娥五號鉆取子系統的研制歷時十余年之久,而其獨創的鉆頭,是研制者們通過建立鉆進與取芯能力評價體系,對比16種設計方案,最終確定了雙排鉆牙階梯構型,經過千錘百煉,保證鉆進過程順暢可控,具備對8級硬度巖石的鉆進能力。同時有針對不同顆粒度月壤進行切削、撥、擠、排的能力,雙排出刃形成多個切削面,經試驗驗證能夠撥動與突破臨界顆粒與顆粒集群,具有較好解決危險工況和大顆粒的能力。

至于表取式“挖土”,靠的則是特定的機械臂。這個機械臂和人手幾乎是一樣的:在末端,即腕關節上有兩個采樣器,其中一個采樣器類似一個鏟子,樣子有點像帶鉤子的鐵鍬,接近月面的時候通過轉動從月面挖取樣品;另一個采樣器末端為花瓣狀結構,能夠通過旋轉將黏結在一起的月壤破碎掉,從而獲得相對較深的樣品。

如何把月壤樣品帶回地球?

太空“打水漂” 攜月壤返回

懷揣著辛苦“挖”來的月壤樣品,嫦娥五號的返回器將啟程返回地球。返回器將首先以第二宇宙速度沖向地球,在進入地球大氣層后,通過半彈道跳躍式再入返回技術重新跳出大氣層,再以第一宇宙速度進行降落,最終返回器打開降落傘,平穩安全地降落在四子王旗著陸場。

當返回器帶著月壤,從38萬公里遠的月球風馳電掣般向地球飛來,這時它的飛行速度是接近每秒11千米的第二宇宙速度,而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8千米的第一宇宙速度??蓜e小看了這每秒3千米的差距,因為就好像扔石頭,同樣一塊石頭從一層樓扔下來和從十幾層樓扔下來的速度肯定不一樣。同理,航天器從數百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠的月球返回必然不同,而且差距巨大。一旦速度過猛,返回器一頭撞向地球,后果不堪設想,必須讓返回器減速飛行。為此,航天科技集團五院的設計師們創新提出了“半彈道跳躍式再入返回”技術方案,就像在太空打水漂一樣,整個再入返回過程就是讓返回器先是高速進入大氣層,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,然后以第一宇宙速度扎入大氣層,返回地面。整個過程環環相扣,確保嫦娥五號能安全順利地降落。

主要科學目標

開展著陸點區域形貌探測和地質背景勘察,獲取與月球月壤樣品相關的現場分析數據,建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯系;對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究,分析月壤的結構、物理特性、物質組成,深化月球成因和演化歷史的研究。

三大工程目標

一是突破窄窗口多軌道裝訂發射、月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月球樣品儲存等關鍵技術,提升我國航天技術水平;

二是實現我國首次地外天體自動采樣返回,推動我國科學技術重大進步;

三是完善探月工程體系,為我國未來開展載人登月與深空探測積累重要的人才、技術和物質基礎。

11個階段任務

●發射入軌階段,由運載火箭發射后進入到地月轉移軌道的飛行階段;

●地月轉移階段,嫦娥五號完成器箭分離并展開相應太陽翼,逐步進入預定軌道,此階段大約飛行112小時,其間要進行多次中途修正;

●近月制動階段,在目標環月飛行軌道正常行進,并在近月點進行2次減速制動,以合適的運動速度進入到環月圓軌道,最終進入的軌道距離月面200千米左右;

●環月飛行階段,在環月飛行軌道中行進到動力下降初始點,并在該階段完成軌道返回組合體和著陸上升組合體的分離,等待上升器的到來;

●著陸下降階段,著陸上升組合體將從下降初始點開始進行月面軟著陸,并經過主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等階段,尋找合適的月面完成軟著陸,整個下降過程15分鐘左右;

●月面工作階段,著陸上升組合體將在月面停留2天,其間通過有效載荷設備完成月面科學探測,通過采樣封裝設備完成月壤的鉆取、表取以及封裝;

●月面上升階段,上升器將經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段,進入到相應的環月飛行軌道;

●交會對接與樣品轉移階段,從上升器進入環月飛行軌道開始,通過遠程導引和近程導引技術,上升器與軌道返回組合體逐步完成交會對接,上升器中存放的月球月壤樣品通過軌道器轉移到返回器中;

●環月等待階段,嫦娥五號軌道返回組合體從對接艙分離并進入月地入射點,等待月地入射窗口的到來;

●月地轉移階段,軌道返回組合體帶著月球采樣品從月球滿載而歸,經歷多次中途修正后,在距離地球5000千米高度處實現軌道器和返回器的分離;

●再入回收階段,返回器帶著月壤樣品降落在地面預定地點。

權威解讀

采樣位置“選址十分明智”

我們為什么要如此大費周章地去月球“挖土”呢?據全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩介紹,通過研究目前已有的月壤,科學家們發現月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒,這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅,它們是在月幔部分融化的過程中,在月球表面下約300千米的深處形成,因為火山活動而噴出到月球表面。對樣品的分析與實驗證實,月壤和月巖中氧化鐵的含量很高,從中可以制取水和氧,未來可利用月面物質支持月球基地的運行,并為登月飛行器補充燃料。更重要的是,科學家還在采集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模,月球上的氦-3用于核聚變發電后能夠滿足人類約1萬年的能源需求。

此外,在地球上,通過測量巖石中微量放射性化合物的衰變,人類已經知道火山爆發、物種大規模滅絕發生的時間。但在太陽系其他地方,這個時間線是混亂甚至未知的,原因就是記錄太少,目前有關的月球數據都來自美國和前蘇聯帶來的月壤樣品。而“嫦娥五號”的采樣目的地在月球呂姆克山附近,它位于月球風暴洋地區,形成時間相對較晚,這一地點的采樣將進一步完善月球歷史的全貌,同時為不穩定的隕石坑年齡測算方法提供新的定位點。

國際頂尖科學期刊《自然》(Nature)近日就嫦娥五號任務發表文章,評價嫦娥五號月面采樣的位置“選址十分明智”,表示其采回的樣本可以填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。之前美國和前蘇聯采回的月壤和月巖樣品表明,月球上的火山活動在35億年前達到頂峰,然后減弱并停止。但對月球表面的觀測發現,某些區域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖,這與嫦娥五號著陸地區的年齡相仿。如果嫦娥五號的樣本證實這段時間月球仍在活動,將改寫月球的歷史。(記者 雷嘉)

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