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我国首次地外天体起飞!“嫦娥”5号创造历史

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  2020年 12月3日23时10分,携带月球样品的“嫦娥”5号上升器,从月球正面最大的月海风暴洋北部点火升空,进入近月点15 千米的环月轨道,两天后将与一直在轨飞行等待它的轨道器+返回器对接。 实现我国首次地外天体起飞 !

  

  

  

  

  照片提供:国家航天局,图片摄影:张高翔

  

  

  北京航天飞行控制中心工作画面。供图:我们的太空

  月面起飞,相当困难!

  在地球上起飞,有火箭这个庞大的运载工具。可“嫦娥”在月球上可没有随身带火箭,怎么起飞呢?事实上上升器自身是具备类似火箭的推进功能的,我们看到有一个很大的尾喷口。

  

  

  由于在月球上的重力仅是地球上的1/6,起飞相对“轻松”一点。

  但是此次月面发射的窗口期很短,保证其在极短时间内保持稳态上升的难度很大。

  地面上发射前的各种保障月面上没有了,如果着陆时不是四平八稳的,那发射时可能起始就是偏的。没有发射塔架系统的配合,着陆器相当于上升器的“临时塔架”。发射后火焰也没办法通过水冷却再通过导流槽从左右排出。

  由于月球上没有导航星座辅助,上升器起飞后,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

  因此月面起飞轨道设计、月面起飞测控和发动机羽流导流都是咱们第一次要克服的难点。

  上升器将经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入到相应的环月飞行轨道。

  这仅仅是“嫦娥”5号创造的我国航天的1个“首次”,还有好几个呢。

  我们一个一个来说,首当其冲的就是“嫦娥”5号首次完成了在月面自动采样。

  为什么要去月球上挖土?

  月壤保留着受地外星体的撞击,以及受到宇宙射线辐射和太阳风轰击等空间风化作用后的原始痕迹,因此,研究它有利于了解月球并间接了解宇宙。同时可以为未来月球基地选址和建造提供依据。

  

  

  月球采样返回可以是无人也可以是有人的,苏联曾进行过3次无人月球采样返回,美国曾进行过6次载人月球采样返回。那么同是无人彩样,苏联3次总共只带回300余克月球样品。

  

  

  苏联月球16号月球采样返回探测器

  而我国这次一共带回了2000克月壤。其中钻取的样品是约500克,表取的样品是约1500克。

  

  

  刘屹/绘

  钻取,用的是岩心钻探机,在月面自动打钻取岩芯,在月球深层采样,取得月面一定深度下的样品。它可以钻取月面下2 米深度的月岩样本。

  表取,即在月球表面铲取月壤。我其实一直好奇,没有笤帚,簸箕怎么在月表扫土。

  去了月壤,从月球上起飞了,2天后,上升器与在月球轨道飞行的轨道器+返回器一起将完成我国航天的又一个“首次”:首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接。

  苏联的3次无人探测一共才带回来300余克月壤,主要是因为当时没有掌握月球轨道无人交会对接技术。

  苏联当时的方案是月面起飞直接返回地球,这样其上升器需要克服返回舱与大量燃料死重,因此极大压缩了采样重量。

  要解释交会对接,咱们先来了解一下“嫦娥”5号的机构,它由上升器、着陆器、轨道器、返回器4个部分像“葫芦娃”一样“串”在一起。

  

  

  其中着陆器+上升器着陆月球,轨道器+返回器一直绕着月球飞,着陆的上升器与绕飞的组合体在月球轨道无人对接之后,将月壤移交给返回器带回地球,上升器就留在月球轨道了。

  有了交会对接,月面起飞的时候就只需少量燃料就能带回相对多的月壤,因此咱们无人采样的月球样品重量呈几何级提高,至少为2000克。

  从月球上起飞了,也在环月轨道上交会对接了,就准备启程返回了。

  返回地球时,“嫦娥”5号还将创造1个“首次”——首次以接近第二宇宙速度返回地球。

  我国以前返回的都是从地球轨道上下来的,以大约7.9千米/秒的第一宇宙速度返回。这次是从地外回来,返回器将以11千米/秒的近第二宇宙速度再入大气层。

  

  

  新一代载人飞船试验船返回舱

  返回器再入速度提高一倍,再入热量将提高8~9倍,这样的热量返回舱很容易烧毁。怎么办呢?聪明的轨道设计师借鉴了高超声速武器的“打水漂”弹道,设计了半弹道跳跃式载入轨道。

  

  

  就是让航天器进入大气层后,依靠升力再次冲出大气层,以减速耗能,然后再次进入大气层。

  这个方案能不能成功,地面上是做不了实验的,于是在2014年咱们就发射过试验器飞抵月球附近,然后自动返回地球,最终其返回器于同年采用了半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层,在内蒙古预定区域顺利着陆。

  相信这一次,“嫦娥”5号也会平安着陆的。

  我们在四子王旗等待来自月球的“神秘”礼物。

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