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“嫦五”通关秘笈!哪些“名场面”将会上演?

“嫦五”通关秘笈!哪些“名场面”将会上演?
2020年11月26日 00:10 新浪网 作者 生活晨报

  11月24日,嫦娥五号探测器在文昌发射场顺利起飞,经过约一周的飞行之后,它将在月球正面月海风暴洋北缘的吕姆克山附近软着陆,完成中国首次地外天体无人自动采样,并带回约2公斤样品。

  嫦娥五号是迄今为止国内最复杂的航天器,这次无人月面采样返回从发射入轨到返回再入,共有11个飞行阶段,月面采样封装、月球轨道交会对接、地球大气高速再入一个又一个的难题险象环生,嫦娥五号探测器有哪些特殊本领助力它顺利“通关”,把样本带回地球?

  通关秘笈一:自动采样秘笈——钻取+表取

  在月球上取样,说的通俗点,就是在月球上“挖土”,但是,月面环境和我们熟悉的地球母亲大不相同,月球表面白天温度约零上180摄氏度,夜间零下150 摄氏度,昼夜温差约330 摄氏度,无人采样器需在零上150多摄氏度的月球表面工作。陌生的环境常常会带来新鲜感,但对嫦娥五号来说,这种环境的“新鲜感”却成为嫦娥五号无人月面采样返回要过的第一道坎。

  中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢说,考虑到样品的种类、数量以及月球表面的不确定性,他们设计了钻取和表取两种方式,两种样品大概比例为1∶3。

  钻取月壤,反复试验

  彭兢:目前有一些科学研究成果表明,月球正面月海风暴洋北缘的吕姆克山附近区域的平均月壤厚度大约是4米,但这只是统计意义上的概率,困难的地方在于我们去之前并不知道那里是很坚硬的岩石,还是很松软的月壤,从现在的研究来看,大概率是松软的,我们现在设计的目标深度是2米左右。

  由于嫦娥五号本身是由上升器、着陆器、返回器和轨道器四部分共同构成,这个重8.2吨的大家伙已经不能再胖了,也就决定了它没有机会再携带巡视器,也就是说,相比嫦娥三号和嫦娥四号,嫦娥五号不能再依靠巡视器替它完成勘探的工作,同时,嫦娥五号的着陆器又是不能移动的,所以它的风险难度再+1。

  钻取采样装置下面正下方的点是什么特性,我们事先是不知道的,万一碰到了特别坚硬的岩石,它有可能采不到,所以这个是有风险的,也是最困难的地方。当然我们在地面也做了很多工作,实际上某些坚硬的岩石在特定的条件下,也是可以通过钻头将坚硬的岩石表面打碎,然后取得一些颗粒状的月壤,但是这些有很大的不确定性,这也是我们深空探测里面我个人认为是比较有魅力的一个地方。

  特定机械臂,助力“表取”

  再来看表取,科学家们专门为这种采样方式设置了特定的机械臂。

  彭兢:这个机械臂和人手几乎是一样的。在末端,就是腕关节上有两个采样器。一个采样器类似于一个铲子,这个铲子的样子有点像带钩子的铁锹,接近月面的时候会转动,能够从月面挖取样品。

  在表取时将使用两种采样器,除了铲挖式,还有一种末端为花瓣状结构的采样器,它能通过旋转破碎掉黏结在一起的月壤,从而获得相对较深的样品。

  我们现在选定的风暴洋西北部这个地区能够带回来的样品,能够跟之前的样品放在一起,整体对月球形成演化的过程有更好的了解。样品应该说有一定的不确定性,需要等到样品回来之后在地面开展了相关的研究工作才能知道。

  取完样品后,着陆器使命达成,就留在了月面之上。

  通关秘笈二:

  月球上空交会对接秘笈——轻小型化抱爪式对接机构

  为了确保样品能够保持在月球表面的状态,取得的样品将用上升器的密封封装装置进行高真空密封,随后带回地球。这个过程中,无人月面采样返回的第二道关卡出现了,就是月面起飞。彭兢说,从距离地球38万公里以外的月面起飞,不确定性非常大,而能否成功起飞也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,需要让上升器百分百瞄准交会对接的轨道器。

  成功从月面起飞后,上升器和轨道器开始交会对接,将样品转移至返回器中。相比此前,空间实验室天宫一号采取的是撞击式交会对接,这一次,按照月球轨道和嫦娥五号的特点,做了全新调整。航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总师查学雷介绍,这一次采用了全新的轻型化的叫抱爪的对接机构。

  查学雷:它的主要的特点就是轻,这样能够保证月球探测器减重的需求。另外一个特点跟地球轨道上非常不一样,因为我们在月球轨道上进行这样一个对接,距离地球有很远,有一个时延,所以这样对我们也是比较大的一个挑战。

  21秒!稳、准、狠

  嫦娥五号对接机构的重量只有天宫一号的1/10,而嫦娥五号的轨道器吨位是大大高于上升器的,如果采用和天宫一号一样的撞击式对接方式,当误差过大时,上升器就有可能被撞飞。查学雷说,采用轻小型化的抱爪式对接机构,能够在21秒的时间里,“稳、准、狠”地完成任务。

  查学雷:到了交会走廊的时候,我是一个抱爪的状态,我会抓住它,抓住它我就会把它先抱住,然后慢慢地再把它锁紧。所以这个方案一个很大的特点,就是抱爪的过程一定要顺势完成,不能抓到一半或者让它跳出去。

  在月球上完成无人样品转移,在人类的航天历史上是首次。中国航天科技集团公司八院轨道器主任设计师赵晨介绍,借助轨道器的样品转移分系统,整个样品容器将在200—300毫米的狭小通道里被抓取到返回器中,除了采用棘爪式的样品转移机构,他们还有近20份故障预案。

  赵晨:通过这个结构精度来保证样品转移一定是一条直线的通道,我们的对接系统能够适应一定的控制偏差。样品转移也是同样,通过正常转移通道的情况下通过棘爪式的样品转移机构把样品转移过来。如果在故障的任务情况下,我们可以通过喷气式方式,补偿的方式来进行样品转移,来保证万无一失。

  通关秘笈三:

  返回秘笈——半弹道弹跳式返回+新型耐烧蚀材料

  最后,携带样品返回地球的重任交给了轨道器和返回器,上升器就留在了太空中。与之前不同,此次以每秒11公里左右的第二宇宙速度返回,这时返回器不但速度很快,而且因为与大气剧烈摩擦,表面温度也更高,如何保证顺利回到地球?这也就是无人采样返回的最后一道关。探月工程三期副总设计师裴照宇说,采用了半弹道弹跳式返回的方式。“弹道式就像导弹,导弹打到外太空之后再入地球,它不再进行升力控制,就是靠惯性落到地面来,而要进行准确的着陆点控制,我们采用了半升力控制的方式,这样它就不是完整的弹道了。”

  太空“打水漂”、“蜂窝”防热层

  那么什么是跳跃式?这就像“打水漂”方式,相当于它要先进一次大气层,利用大气层的阻力使它降速,然后再回来,第二次再入大气的时候,它的速度就会更慢一些适合着陆。

  裴照宇:为了降低过载,减少热的影响,我们就采用两次方式。第一次从11公里进入出来的时候已经到了7.5公里,7.5公里我们再入的时候就有经验了,像我们过去的返回式卫星,过去的载人返回,都是这样的一个速度。所以采用跳跃式是为了减少力热的影响,使得再入的时候更安全。这样的方式也为未来的载人进行了技术积累。

  除了通过打水漂,科学家们还在返回器的材料上做了文章。航天科技集团五院嫦娥五号探测器返回器副主任设计师刘大海说,返回器使用了蜂窝结构的防热层,约 20毫米厚,里面填充的都是新型耐烧蚀材料。除此之外,他们还在耐高温发动机以及推进器的控制方面,进行了创新。

  刘大海:返回器就像一个窝头一样,侧面挖一些洞,洞里面就是我们所谓的推力器。当时这套系统专门做了一些耐高温的设计。还有一点,里边用的推进剂本来就是液体,并且得保证液体能够跟气体有效分离,当时也是设计了相应的隔膜的贮箱,保证整个系统稳定工作。

  据央视新闻 

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