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嫦娥五号成功从月面明朝平台起飞!你至少要了解这五大主要知识点

(来源:网站编辑 2020-12-05 10:46)
文章正文

[摘要]这是我国探测器首次在地外天体上起飞。接下来,明朝平台嫦娥五号上升器进入环绕月球轨道,将择机与正在环绕月球运行的轨返组合体对接。

图注:上升器在月面起飞(艺术图)。

腾讯太空 文/乔辉

据央视新闻消息,2020年12月3日23点10分左右,嫦娥五号“上升器”搭载着从月球采集的样品从月面顺利起飞,这也是我国探测器首次在地外天体起飞。接下来,嫦娥五号上升器进入环绕月球轨道,将择机与正在环绕月球运行的轨返组合体对接。

一、月面起飞的难度主要在哪里?

1、我国探测器首次地外天体起飞

我们知道,此前嫦娥三号和嫦娥四号探测器都成功着陆月球,因此本次嫦娥五号落月阶段,我们还是比较有经验和信心的,但控制探测器从月面起飞还是第一次,之前没有做过。

图注:嫦娥五号探测器的四部分(图片来源:国家航天局)。

为了便于理解嫦娥五号上升器如何在月面起飞,我们了解一下嫦娥探测器的基本结构:嫦娥五号探测器由四大部分组成:着陆器、上升器、轨道器和返回器。其中,着陆器和上升器作为一个整体(着升组合体)一起落到月面。轨道器和返回器作为另一个整体(轨返组合体)继续围绕月球运动,等待上升器的凯旋归来。

图注:上升器在月面起飞(艺术图)。

当着陆器采集到的样品转移到上升器后,上升器就可以随时等待指令起飞了。我们知道,在地球上发射火箭的时候,都有一个发射塔架,上升器的起飞就相当于在月球发射一枚小火箭,没有发射塔架怎么办呢?其实,充当发射塔架的就是上升器下面的着陆器。着陆器不但负责挖土的工作,而且还要充当临时发射架。

图注:上升器在月面起飞(艺术图)。

上升器体积不大,其火箭发动机携带的燃料有限,幸亏月球表面引力只有地球表面的六分之一,才得以重新返回月球轨道。

2、错过月面起飞窗口要等一个月

地面控制人员会根据着陆器和上升器的位置和姿态,以及轨道器的实际飞行轨道,计算出最佳的月面起飞时间和方向,使用最节约燃料的飞行路线去对接轨道器。

一旦错过起飞的最佳时机,就要在月面等待一个月球日,相当于约28个地球日。由于月球没有空气保护,昼夜温差很大,白天可高达127摄氏度,夜晚可低至零下183摄氏度,这么大的温差很可能会对嫦娥五号上的电子设备造成损害,影响正常起飞。所以,月面不宜久留,必须把握第一个窗口抓紧起飞。

二、嫦娥五号在月球的48小时都干了啥?

嫦娥五号探测器总共在月面只待48小时,这就要求它要在48小时内开展月面钻探取样、月面抓取取样、样品打包以及准备月面起飞等工作,真可谓是时间紧、任务重!

我们知道,美国通过阿波罗计划的六次载人登月,通过人工带回来381千克的月球岩石和土壤样品。前苏联则通过3次无人探测器取回总共330克的样品。而我们这次要取回至少2千克的月壤样本,难度还是非常大的。

科学家对于取样的难度早有心理准备,他们在地面上进行了各种模拟取样实验,最终决定用钻探取样和表面抓取取样两种形式,分别简称为:“钻取”和“表取”。

图注:嫦娥五号钻取样品(实景)。

图注:嫦娥五号挖取样品(实景)。

我们来回顾一下这几天嫦娥五号探测器在月面上的时间线:

12月1日晚23点许,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区,成为我国第三个成功实施月面软着陆的探测器。成功着陆后,着陆器在地面控制下,正式开始了持续约2天的月面工作。着陆约一刻钟后,探测器展开太阳能帆板,有效载荷开机。

图注: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。

12月2日凌晨1点多,着陆器就开始进行钻取月壤样本的工作了,约2个小时就完成既定取样任务,钻取月壤0.5千克并进行了封装。当日凌晨5点多又开始表取1.5千克的月壤工作。

图注:嫦娥五号封装样品(实景)。

12月2日22点,经过约19小时月面工作,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,剩下的时间就是等待起飞了。

三、嫦娥五号用的什么利器取样的?

自动采样装置是嫦娥五号采样任务成败的关键装置,它要能够承受月球白天120多摄氏度的高温炙烤,还要克服测控、电源供电能力的约束。

采样装置有两种:一种是钻取采样的“电钻”,这是一种空心钻,能够把钻取的样本自动收集起来,里面的结构还是很复杂的。据介绍,这个电钻可不简单,能够钻入月球表面之下2米的深度,能够把月表之下深层样本取出来,更具科研价值。

图注:月球钻取取样器(来源:中国空间研究院)。

据悉,这个空心钻的电功率达1000瓦,还是非常大的。为了便于直观理解,举一个例子,我们平时装修房屋的时候,要用到手持电钻,一般来讲这种电钻的功率才约400瓦的样子,就已经感觉很强悍了;另一种是表面取样的装置,外形看起来像铲子、勺子、筷子模样的一体机“神器”机械臂,同时具备挖土、铲土、夹土三种功能,能将月球表面的浮土采集起来。

图注:月球表面挖取取样器(来源:中国空间技术研究院)。

取样后,打包“神器”月球土壤封装装置具有自动关闭的盖子和用于打包密封的封条,可以把机械臂表采和钻采机构获得的月壤同时打包。在打包的同时,封条对土壤进行密封,从而保证在返回地球途中不接触大气,保证带回来的土壤纯天然无污染。

四、嫦五上升器起飞后直接回地球吗?

嫦娥五号上升器起飞后,并不是直接飞回地球,而是要与轨返组合体对接,把样品转移给轨返组合体,后续让返回器携带样品返地球。

图注:嫦娥五号的上升器和轨道器正准备月轨交会对接的情形(艺术图)。

按照轨道设计,嫦娥五号上升器月面起飞约一刻钟后进入近地点15千米,远地点180公里的椭圆轨道,并展开太阳能帆板进行充电。接下来一到两天的时间里,上升器还会进行轨道调整,择机与轨返组合体对接。

文章开头提到,嫦娥五号任务创造了首次地外天体起飞的纪录,接下来,还将创造首次月球轨道无人交汇对接的纪录!

五、为什么月面起飞后不直接回地球?

这个问题比较有意思,我们单独放在这里讲一下。上升器起飞直接返回地球也是可以的,而且这样无需月轨交汇对接,反而降低了工程的复杂度,前苏联的三次月球无人采样,就是用的这种直接返回地球的方式。

图注:前苏联的“月球16号”采样探测器月面起飞的情形(艺术图)。

直接返回方式的缺点也非常明显,前苏联三次总共取回月壤样品330克,我们这次一次就能取回2千克。这是为什么呢?这是因为直接返回方式相当于把上升器、轨道器和返回器打包在了一起,无疑增加了月面降落和起飞的重量,挤占了有效载荷(样品)的运力。前苏联之所以没有采用咱们这种返回方式,据说是因为当时他们月轨无人交汇对接的技术还不成熟。

接下来几天,就让我们静静等待嫦娥五号上升器与轨返组合体对接成功并转移月壤样品的好消息吧。当然,最值得期待的还是返回器重返地球,携带月壤样品缓缓降落内蒙古大草原的激动时刻。

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