嫦娥五號的月面 48 小時

本文作者：付靜

2020-12-05 12:26

導(dǎo)語：48 小時內(nèi)，嫦娥五號自主完成了從挖土到打包，從升旗到起飛的一系列任務(wù)。

2020 年 12 月 3 日，是中國航天史上的重要一天。這一天，我國首次實現(xiàn)了地外天體起飛。

23 時 10 分，嫦娥五號上升器 3000N 發(fā)動機工作約 6 分鐘，成功將上升器送入到預(yù)定環(huán)月軌道。

嫦娥五號的月面 48 小時

實際上，12 月 1 日 23 時 11 分，嫦娥五號成功著陸在位于月球正面西經(jīng) 51.8 度、北緯 43.1 度附近的預(yù)選著陸區(qū)。

在月面的 48 小時，嫦娥五號自主完成了從挖土到打包，從升旗到起飛的一系列任務(wù)。

向月球出發(fā)

嫦娥五號探測器原定于 2017 年出發(fā)，這一遲到了三年的地外天體采樣之旅，可謂是我國迄今為止最為復(fù)雜的航天任務(wù)。

公開資料顯示，嫦娥五號此次任務(wù)共有 11 步。

北京時間 2020 年 11 月 24 日凌晨 4 時 30 分，搭載著嫦娥五號探測器的長征五號遙五運載火箭成功點火發(fā)射，任務(wù)自此展開。

嫦娥五號的月面 48 小時

不難想象，嫦娥奔向月亮的過程并不容易，在地月轉(zhuǎn)移過程中，受入軌偏差、控制偏差等多種因素影響，探測器難免會產(chǎn)生軌道偏差。

為確保其始終在適當(dāng)?shù)能壍郎巷w行，11 月 24、25 日，嫦娥五號先后完成了兩次軌道修正。

至此，嫦娥五號已經(jīng)歷了大約 112 小時的飛行，順利到達了近月點，完成了最初的兩步——發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移。

第三階段則為近月制動。

簡單來講，嫦娥五號的最終目的是要在月球著陸執(zhí)行任務(wù)，要著陸，首先要先繞月飛行；而要繞月飛行，就要把原本的飛行速度降下來。

降到什么程度呢？據(jù)了解，相對速度只有比月球逃逸速度低，才能被月球引力捕獲，進入環(huán)月軌道。

和地面行駛的汽車原理一致，在近月制動時段，嫦娥五號也進行了 2 次剎車制動。

隨后進入環(huán)月飛行階段，即第四階段。

相比「前浪」們，嫦娥五號的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，共由四部分組成：

軌道器（為地月穿梭提供動力）
返回器（帶著樣本回到地球）
著陸器（用于登月時的下降）
上升器（帶樣本從月球起飛）

這一階段，嫦娥五號一邊飛行，一邊要進行一項重要工作：將「著陸器+上升器」組合體與「軌道器+返回器」組合體分離。

按照此前的分工，軌道器、返回器留軌運行，承載著上升器的著陸器將進行軟著陸和采樣任務(wù)。

這之后，嫦娥五號則經(jīng)歷了至關(guān)重要的 15 分鐘——著陸下降。

由于落月后要經(jīng)歷月面發(fā)射任務(wù)，而落月范圍容易存在誤差，這會直接影響到發(fā)射點經(jīng)緯度、坡度、高程的變化，所以嫦娥五號必須知道自己身處的精確位置和狀態(tài)。

據(jù)國家航天局介紹，「著陸器+上升器」組合體從距月面約 15 公里處開始實施動力下降，7500 牛變推力發(fā)動機開機，嫦娥五號的相對月球速度從約 1.7 公里/秒逐步下降至零。

經(jīng)過自動檢測障礙，嫦娥五號選定了著陸點，最終于 12 月 1 日 23 時 11 分著陸于月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)。

值得一提的是，這一過程中，著陸器搭載的相機還拍了下面這張照片。

嫦娥五號的月面 48 小時

由此，嫦娥五號的月面 48 小時正式開始。

月面自主工作 48 小時

在月面的 48 小時，嫦娥五號自主完成了從挖土到打包，從升旗到起飛的一系列任務(wù)。

如何挖土？

嫦娥五號采取了鉆具鉆取、機械臂表取兩種模式，其中鉆取 0.5 公斤樣本，表取重量則為 1.5 公斤，用時共 19 小時。

嫦娥五號的月面 48 小時

中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢對此做了解釋：

鉆取就是通過空心鉆桿的取芯機構(gòu)，鉆到月球表面兩米深以下處，得到深層樣品的層理信息；表取就是采用機械臂末端固定鏟挖型采樣器，進行表層和次表層月壤采集。

機械臂和鉆頭精確配合，兩種取樣方式同時進行，樣品的種類更為豐富，可靠性也會提升。

隨后就進入到了封裝環(huán)節(jié)。

由于月面幾乎是真空狀態(tài)，而地球表面環(huán)境中有氣體成分、固體顆粒，為避免月樣受到污染，航天科技集團五院 510 所研制了一種月樣密封封裝子系統(tǒng)。

據(jù)環(huán)球網(wǎng)報道：

這一系統(tǒng)能夠自動承接、封裝月球樣品，還具有密封功能的裝置。

另外對于封裝的方式，中國工程院院士、國家航天局原局長、探月工程首任總指揮欒恩杰有個形象的比喻——哈爾濱香腸：

因為地球和月球的環(huán)境是不一樣的，樣品不能在轉(zhuǎn)移到地球的時候受到污染，因此要把鉆取的巖芯裝進一個長長的包裹緊密封裝好，就像哈爾濱香腸一樣。

實際上他所形容的正是航天科技集團五院 529 廠設(shè)計的「雙管單袋方案」。鉆取到的樣品自動進入取芯軟袋，取芯軟袋的拉繩上提，經(jīng)過封裝，軟袋就被放入了封裝裝置內(nèi)。

完成了取樣、打包后，嫦娥五號接下來要做的是一件儀式感滿滿的事情：升國旗。

嫦娥五號的月面 48 小時

由于宇宙中存在很強的電磁輻射，而月球表面溫差也極大（最大溫差可達到 310 攝氏度），普通旗幟很可能會出現(xiàn)褪色、串色甚至分解的情況。

也就是說，環(huán)境決定了月面五星紅旗材質(zhì)的特殊性?？蒲袌F隊經(jīng)過大量的理論研究和實際試驗，發(fā)現(xiàn)單一纖維和紡織工藝都無法滿足環(huán)境要求。國旗展示系統(tǒng)技術(shù)負責(zé)人程昌表示：

在選材上花費的時間超過 1 年，挑選出了二三十種纖維材料，通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等試驗，最終選用了一種新型復(fù)合材料。

確定了旗面材質(zhì)，還有一個問題——旗桿。旗桿不僅要能克服環(huán)境難題、保證可靠性，在重量上也要盡量輕。

而要在月球上展示國旗也并非易事。據(jù)科技日報報道：

系統(tǒng)立項初期，科研團隊設(shè)計了多種展示形式，比如記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機構(gòu)展示方案等通過卷軸形式展開國旗，以及以折扇形式展開國旗方案。高低溫試驗表明，只有卷軸形式展開的國旗比較平整，不會出現(xiàn)褶皺等情況。

經(jīng)過科研團隊的努力，國旗展示系統(tǒng)成型，整個系統(tǒng)重量在 1 公斤以內(nèi)，其中國旗重量僅 12g，國旗尺寸為 2000 毫米×900 毫米。

終于，五星紅旗在月球升起，這是繼嫦娥三號、四號任務(wù)后五星紅旗又一次展現(xiàn)在月表，也是五星紅旗的首次月表動態(tài)展示。

嫦娥五號的月面 48 小時

隨后又到了另一個重要環(huán)節(jié)：月面起飛。

這一次，著陸器扮演著上升器「臨時塔架」的角色，相比地面發(fā)射塔架自然不夠成熟；而上升器也面臨著不少挑戰(zhàn)，比如：起飛初始基準與起飛平臺姿態(tài)不確定、發(fā)動機羽流導(dǎo)流空間受限、地月環(huán)境差異。

12 月 3 日 23 時 10 分，上升器 3000N 發(fā)動機工作約 6 分鐘，在經(jīng)歷了垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道射入后，攜帶樣品的上升器進入了預(yù)定環(huán)月軌道。

這是我國首次實現(xiàn)地外天體起飛，嫦娥五號在月面高難度的 48 小時工作也全部完成。

靜待嫦娥歸來

截至目前，嫦娥已告別月球，約 20 天后，其返回器將著陸于內(nèi)蒙古四子王旗，最終完成使命。

隨后，嫦娥五號還要經(jīng)歷交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收四個階段，面臨著種種考驗，其中可預(yù)見的三點最大的難題在于：

此前我國的空間自主交會對接工作都是在地球軌道上進行的，相比地球軌道，月球軌道附近的地面站、人造衛(wèi)星提供的服務(wù)資源少了很多，因此月軌對接是一大難題。
為防止月壤樣品在再入過程中受影響，嫦娥五號還將進行一次月軌樣品封裝。
由于月地間的距離遙遠，在返回地球時，火箭的溫度會隨著速度不斷上升，在進入地球大氣層時可能會因為溫度問題再入失敗。

當(dāng)前，成功從月球上「挖土」回來的國家只有前蘇聯(lián)和美國，而上一次任務(wù)迄今已經(jīng)過去了 44 年。

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