探月“三步走” 收官“有看頭”
——中國探月工程嫦娥五號任務正式啓航
發佈時間:2020-11-25 來源:中山日報


   11月17日,長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後,垂直轉運至發射區,計劃於11月下旬擇機實施發射。    文/圖 新華社

“嫦”風破浪正當時,“五”動九州攬月回。

11月24日凌晨,中國文昌航天發射場。長征五號遙五運載火箭拖着長長的尾焰,用巨大的轟鳴打破海岸邊夜的寧靜,全速託舉中國探月工程嫦娥五號探測器劃過夜空,邁出中國首次地外天體採樣返回的第一步。這是中國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰,更是中國航天領域迄今為止最複雜、難度最大的任務之一。

按照計劃,嫦娥五號將成為中國首顆從月球採樣後起飛的探測器,還將帶着自動採集的約2千克月壤歸來。我們為什麼要去月球“挖土”?地月往返的探索之旅,又將經歷哪些“步步驚心”的時刻?


   航天科技人員在文昌航天發射場慶祝髮射成功。

為什麼

要去月球“挖土”?

“舉杯邀明月,對影成三人。”

就像一面鏡子,月亮映照着蒼茫大地,也讓我們從中更好地認識自己。月球探測的每一個大膽設想、每一次成功實施,都是人類認識和利用星球能力的充分展示。

月壤即月球的土壤,對地球人來説藴藏着巨大的科學價值。為了去月球“挖土”,主要航天國家都“很拼”。

蘇聯月球16號探測器從月球取回了一塊101克的小樣本,月球20號探測器和月球24號探測器則分別採集到了55克與170克樣品。

1969年7月至1972年12月間,美國通過阿波羅11號到阿波羅17號載人飛船實施了7次載人登月任務,除了阿波羅13號因發生故障中途返回,其餘6艘飛船皆完成登月,成功將12名航天員送上月球,共帶回月壤和月岩樣品約382千克。

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、着陸器、上升器四部分組成,任務的科學目標主要是開展着陸點區域形貌探測和地質背景勘察;對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究。

嫦娥五號任務,既是收官之作,更是奠基之作。國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇表示,嫦娥五號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中“回”這一步的主任務,要實現月球表面採樣返回。這次任務相比我們已經實施的繞月探測、落月探測來説,是一次新的、更大的技術跨越。

“我們這次的目標是帶回約2千克月壤。經過論證,2千克數量上不算少,工程上可實現。但作為對這次任務的考核,我們的目標是採樣返回。採到樣品返回地球,就是成功。”裴照宇説。

“月球是我們地球的唯一天然衞星,更是我們地球的戰略制高點。”中國探月工程三期總設計師胡浩認為,“不光是對航天技術、科學認識的後續發展,包括對經濟社會建設的後續發展,都有十分重要的意義。”


   航天科技人員在文昌航天發射場慶祝髮射成功。

為什麼

嫦娥五號的每一步都“步步驚心”?

作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰,不同於中國探月工程嫦娥家族的其他探測器一去不復返,嫦娥五號將有望實現中國航天史上的多個“首次”。每個“首次”都意味着全新的挑戰,每一步都堪稱“步步驚心”。

一是首次月面自動採樣,兩種“挖法”齊上陣。

這個階段,嫦娥五號將在月面選定區域着陸,並使出渾身解數採集月壤,實現我國首次月面自動採樣。來自中國航天科技集團五院的設計師們精心設計了兩種“挖土”模式:鑽取和表取。當順利軟着陸在月球表面,嫦娥五號就開始了為期約2天的月面工作。

“只有一次機會!”中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹:“我們將可能遇到設備故障、突發情況等諸多風險,對月壤狀況也不知情。為了避免各種不可抗力帶來的意外,在地面上進行了無數次試驗,反覆調教機械臂。”

二是首次月面起飛上升,全靠嫦娥五號“自己完成”。

嫦娥五號想帶着月壤回來可不容易。眾所周知,運載火箭在地面起飛是有一套複雜的系統和龐大的地面隊伍作保障和支撐的。而月面起飛就完全不同,沒有一馬平川的起飛地,更沒有成熟完備的發射系統。

“着陸器就相當於上升器的發射塔架,月球表面環境複雜,着陸器不一定是四平八穩的狀態,這就給月面起飛帶來更大的挑戰。此外,這一切都要靠嫦娥五號自己在38萬公里之外的月球上獨立完成,難度和風險可想而知。”彭兢説。

三是首次實現月球軌道交會對接,“千里穿針、一氣呵成”。

當着陸器託舉上升器實現月面起飛上升後,嫦娥五號便開始一路飛奔。但僅靠上升器是不可能實現返回地球的,它需要飛到月球軌道上,在這裏與軌返組合體交會對接,把採集到的月壤轉移到返回器中。

在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接不僅在我國尚屬首次,也是人類航天史上的首次,這為嫦娥五號研製團隊帶來了極大的挑戰。

設計師們為嫦娥五號精心設計了交會、對接、樣品轉移、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作

“其難度卻是千里穿針,要求一氣呵成。”中國航天科技集團八院嫦娥五號軌道器技術總負責人查學雷説。

四是首次帶月壤高速再入返回地球,打一個“太空水漂”。

當返回器帶着月壤,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公里的第二宇宙速度,而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。

“可別小看了這每秒3公里的差別,就好像扔石頭,同樣一塊石頭,從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓扔下來的速度肯定不一樣。”彭兢説。

為此,嫦娥五號探測器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高速進入大氣層,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,然後以第一宇宙速度扎入大氣層、返回地面。

此外,月壤來到地球以後,也是我國首次大規模進行月壤樣品的處理、分析和研究,相關的配套實驗設施和設備已經準備就緒。

是什麼

讓他們探月追夢不止步?

夢想,恰如一顆力量驚人的種子,總能在歷經風雨後破土而出、長成參天大樹。

從立項到發射,嫦娥五號經歷了近10年的艱辛奮鬥。三千六百多個日夜,十多萬人的努力和付出,終於將要迎來開花結果那一刻。

——是他,從少年到白頭,拿着0.5克月壤發奮研究,一生為探月、逐夢不停歇。

1978年5月,美國送給中國一塊1克重的月球岩石樣品,國家決定一半用於科研、一半向公眾展出。拿着0.5克樣品,歐陽自遠和全國各實驗室的同事們用了4個多月發奮研究,很快就發表了14篇論文。那時,歐陽自遠的夢想就是能有一塊中國自己採回來的月壤。

45年準備、論證,16年探月追夢。從年輕的科研人員到白髮老院士,作為中國月球探測工程首任首席科學家的歐陽自遠一干就是大半輩子,他和同事們完成了《中國首次月球探測立項報告》,並推動中國的深空探測越走越遠。

“生命就這麼長,要把最寶貴的時光獻給祖國最需要的地方!是夢想讓我們離目標越來越近。”歐陽自遠説。

——是他們,從失敗到成功,戰高温、鬥酷暑,用身體為火箭遮風擋雨、用青春為航天矢志奮鬥。

此次運送嫦娥五號的“專車”,是目前我國運載能力最大的長征五號火箭,從設計之初便瞄準探月和深空探測等一系列重大航天任務,但第二次發射的失敗,卻不得不讓中國航天放慢了腳步,但航天人從來沒有因此自暴自棄,而是繼續迎難而上。

作為火箭系統的“01指揮”,來自中國航天科技集團一院總體部的黃兵是對火箭最熟悉和了解的人之一。每次發射,這個愛跑步的航天專家就像一名戰士,不顧海南的高温和熱浪,絲毫不敢落下腳步,緊跟在火箭後面,小心翼翼地守護着。

回憶起長征五號遙三火箭復飛前的那幾天,黃兵説:“那時的自己真正感受到什麼叫緊張,在操場上一圈一圈地跑,一直跑了20多公里,直到精疲力竭……”

“如今,我們已經走出至暗時刻,必將走得更遠。”黃兵説。

——是他們,花小錢辦大事,把每一分錢都花在刀刃上,指標不降、經費不超、工期不拖,精打細算地鋪就了中國的探月之路。

中國探月工程是高效、低投入、高產出的典範,與美國動輒數億美元的探測器相比,性價比極高。

“中國的探月工程,正是精打細算鋪就了探月之路,送嫦娥上天、採月壤返回,充分體現了集中力量辦大事的制度優勢。”國家航天局探月與航天工程中心主管王正偉説。

為達到功能最優,嫦娥五號每一部分的重量都“剋剋計較”,用了兩年時間進行“減重”;為實現好世界首次月軌交會對接,探月人進行了60餘個專項試驗,以期充分驗證、不留疑點;國家航天局還組織全國專家,進行全過程質量管控……

千萬顆心,連着太空;億萬雙手,託舉航天。未來,中國人探索宇宙的腳步還將走得更遠。

“在探測太空的領域,中國不能缺席。”中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花説,從奔月到“闖”月、從跟跑到並跑,中國人在不停求索,部分領域已經開始領先。

探月工程三期研製過程中,國家航天局對後續的月球探測進行了論證,規劃了嫦娥七號和嫦娥八號任務,這兩次任務目標是建設月球科研站基本型。中國向國際社會發出倡議,希望與世界各國合作,共建國際月球科研站,這將為月球科學探測和月球相關技術的實驗提供共享平台。

“這次嫦娥五號肩負着月球採樣返回的光榮使命,我們的天問一號也正在飛向火星的路上,我們還要飛得更遠,去探測木星、小行星並建設我們的國際月球科研站。中國已經昂首進入了深空探測的新時代。”歐陽自遠説。

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為什麼發射嫦娥五號要選在凌晨?

為什麼嫦娥五號要選擇凌晨升空?中國航天科技集團一院總體部設計師錢航表示,主要原因是便於奔月軌道設計、減少太陽活動影響、利於信號傳播及觀測等。

月球探測與火星探測一樣,都屬於深空探測。錢航説,在火箭發射軌道設計上,要考慮到地月相對位置關係。此次發射嫦娥五號探測器,要在滿足地球與月球位置關係的限制、火箭射向和滑行時間的約束、探測器地月轉移時間、返回器再入航程等條件下,選擇最合適的發射時間,也就是確定火箭的發射窗口,而凌晨發射最有利於奔月軌道的設計。

“太陽活動特別是太陽風會干擾電子信號傳播,影響地面科研人員操控。”錢航介紹,長征五號選擇在凌晨飛向宇宙,此時地球正好把太陽光直接遮蔽住,避免了過多太陽輻射的影響。錢航還表示,天氣條件對於航天發射至關重要。在凌晨,天氣狀況比較穩定,雲層更少,有利於火箭發射及信號的傳播。同時,可更好地利用望遠鏡等天文設備,對觀察到的發射情況做出總結。此外,由於凌晨整體環境亮度較低,火箭噴射火焰飛向太空時非常顯眼和突出,有利於地面光學和測量設備跟蹤到目標,收集相關信息。

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為什麼是長征五號出征?

長征五號運載火箭是我國新一代大推力低温液體運載火箭,全長近57米,起飛重量約870噸,起飛推力超過1000噸。長征五號運載火箭採用“兩級半”構型,芯級和助推器全部採用液氫、液氧、煤油等無毒無污染推進劑;地球同步轉移軌道運載能力可達14噸,是目前我國運載能力最大的火箭。

由於“體型”又粗又胖,長征五號運載火箭也被親切地稱為“胖五”。因為採用了液氫、液氧等低温推進劑,長征五號運載火箭也獲得了“冰箭”的稱呼。

此次長征五號遙五運載火箭發射的嫦娥五號探測器重達8.2噸,是今年中國航天發射的最重的探測器,嫦娥五號探測器需要進入近地點200公里、遠地點約41萬公里的地月轉移軌道,對運載火箭的能力提出了很高的要求。

“在長征火箭家族中,只有‘胖五’可以將這麼重的載荷直接送入地月轉移軌道,這是對運載火箭能力的集中檢驗,也是對中國航天能力的最佳註解。”長征五號火箭第一總指揮、一院黨委書記李明華介紹。

此次發射的“分量”還體現在長征五號運載火箭的技術創新與管理創新上。由於地月相對位置以及軌道設計等因素的限制,此次發射是一次接近於“零窗口”的發射,長征五號遙五火箭的發射窗口只有50分鐘,一旦在發射窗口時間內不能實施發射,嫦娥五號的奔月計劃就會受到影響。

長征五號運載火箭總設計師李東介紹,為確保火箭準時發射,研製團隊採用了變射向、變滑行時間的多軌道奔月發射方案,應用“窄窗口多軌道”技術,針對50分鐘的發射窗口分別設計了5條發射軌道,每條軌道對應10分鐘的發射窗口,在發射窗口期內,可根據發射時間通過軟件自動選擇發射軌道,提高了軌道切換效率,為長征五號火箭實現“零窗口”發射奠定了基礎。

作為我國目前運載能力最大的運載火箭,長征五號火箭在多項重大航天工程中承擔着不可或缺的角色,是實施深空探測、載人空間站建設、大型高軌衞星發射的主力火箭,是我國從航天大國向航天強國進軍的重要標誌之一。

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