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嫦娥5号独创技术PK美日:以前没人这样干过!火星取样或可期?

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  嫦娥 5 号上升器已经顺利从月球表面起飞了。它要经过几次变轨,才能逐渐和环绕器汇合。这次任务的重头戏就是在环绕月球轨道进行无人交会对接。这是我们以前没有做过的事情,也是一次大的突破。

  最早的交会对接技术起源于美苏两国。双子座飞船和联盟号飞船都曾经实现过伴飞,也就是两艘飞船尽量靠近,进行编队飞行。这两个国家当时已经掌握了宇航员太空行走的技术。他们甚至想让两艘飞船通过太空行走来交换宇航员。但是到最后,还是作罢了。

  接下来就是发展交会对接技术。双子座8号和阿金纳上面级首先完成了对接。阿金纳上面级是无人火箭,双子座 8 号搭载了 2 名宇航员。虽然只是把火箭和飞船做了物理锁定。根本没办法让人从对接的地方钻过去,但总归是一个创举。

  

  双子座8号和阿金纳上面级对接成功,可惜后来控制不住姿态而不断翻滚

  苏联人最开始实现飞船对接,接口也是死的,没办法走人,只是起到了物理连接的作用。即便苏联人设计的登月舱,中间也是不通的,需要宇航员从飞船里爬出来,进行太空行走,然后爬进登月舱。这个过程很麻烦,总设计师科罗廖夫也不愿意,但是时间来不及,只能先这么凑合着。

  后来,苏联人为了和空间站对接,美国人为了阿波罗飞船和登月舱对接,不约而同发展出了插头插座的对接系统。飞船顶上是一根插头。空间站或者登月舱这边的接口是一个圆锥形的漏斗。只要慢慢调整飞船的姿态,把插头捅进漏斗里插到底就算是万事大吉。随后插头被拉紧,对接机构的圆环也就逐渐靠拢,随后锁定在一起,对接过程也就圆满完成。这时候,只要拆下中间的漏斗和插头系统,中间就是一个通道,可以供人员往来。

  

  美国阿波罗飞船的对接机构

  苏联的这套对接机构也曾经出过故障,联盟 10 号和礼炮 1 号空间站对接的时候,硬是留下一道缝子没对齐,对接没有到位,自然是没办法开门。结果 3 个宇航员只能在门外睡了一宿。回家没带钥匙,进不去门的糗事儿很多人都遇到过,那种感觉真的让人抓狂,他们后来灰头土脸的回了地球。

  

  周边对接机构

  后来美苏关系缓和,开始开展合作。要完成阿波罗飞船和联盟号的对接任务。苏联那时候已经研发出了一套周边对接机构,美国人也跟着做了一套。这套机构比原来的插头插座的对接系统可好用多了。不用再分公母,任意的飞船和航天器都可以对接。后来,这种周边对接机构不断改进,成了国际空间站的标配。大家普遍都愿意遵循这个标准,我国的神舟飞船的接口也是符合这个标准的。不过国际空间站的还是保留了和联盟号对接用的插座,可以和联盟号的插头相匹配。进步货运飞船其实就是联盟载人飞船的改进版,也是用的同样的对接机构。

  

  进步号货运飞船对接国际空间站

  美国人有航天飞机,国际空间站全靠这个大卡车把一个个舱段运上太空。后来航天飞机退役了,就只能靠联盟号在运人,进步号来运货,效率大不如前。美国的私营企业 spacex 研发了龙飞船,不但能运货,还能运人。经过一个漫长的空白期,美国终于恢复了载人航天的能力。欧洲和日本没有载人的能力,但是他们都分别研发了自己的货运飞船 ATV 和 HTV。

  

  “牵牛星”和“织女星”对接

  日本人 1997 年就专门发射了一颗试验卫星 ETS-7 来验证对接技术。这颗卫星分两部分,体积大的那个叫牵牛星,体积小的那个叫“织女星”,说到底还是“两口子”。牵牛星安装着一个机械臂,这也是唯一的带有机械臂的卫星了。过去全靠飞船的精确操控,而且对接的时候要非常轻柔,振动要小。现在有了机械臂,等对接飞船靠近了,直接用机械臂抓住,慢慢靠到对接口,别提多方便了。

  

  欧空局的ATV货运飞船

  因为国际空间站就有一根机械臂,所以日本在测试对接技术的时候,针对的就是国际空间站,欧洲人也参与了,现在大家都很喜欢用机械臂来辅助对接。过去的联盟号是用微波来进行通讯和对接校准,激光的精确度比微波更高一些。不过有了机械臂,事情就简化了不少,而且冲击力也很小。不仅如此,有时候为了让出中间的对接口,需要把飞船或者是某个舱段移到侧面去,这就是机械臂大显身手的好机会了。传统的对接装置是没这个本事的。所以,机械手几乎成了大型多舱段空间站必备的装置。

  

  国际空间站的机械臂抓住了日本的HTV货运飞船

  不过,以上的一切对接装置都不适用于嫦娥 5 号。为啥呢?因为太过复杂,重量太大了。为了保证气密性和电路管路畅通,对接环的结构很复杂。对于嫦娥 5 号的上升器和环绕器,完全犯不上。毕竟航天器能轻一点是一点,都是要一克一克的计较的。这东西是无人的,传递的只是土壤和岩石样本,不需要考虑这么多乱七八糟的事儿。为此,航天 8 院的工程师们专门设计了一个用于小型无人航天器的对接机构,整个重量只有传统周边对接机构的 1/15,这可是独创的技术。因为其他国家还没有类似的需求,他们没有考虑到小型的无人航天器居然也要玩儿交汇对接。

  嫦娥5号的抱抓对接机构

  大家从画面上可以看得出,上升器上有 3 根金属杆,重量很轻。环绕器上的 3 个抱抓也很轻,但是这已经足够拉紧两个航天器了,结构就这么简单。对接的全部动作要在 21 秒内完成,1 秒捕获、10 秒校正、10 秒锁紧。为此工程师们做了 35 项故障预案,全部采用自动控制,地球和月亮之间的无线电通信有 1 秒多的延迟,全靠地面操作根本来不及,只能靠航天器的全自动交会对接。

  过去,探测器降落在火星,或者是欧罗巴这种大卫星上是根本不可能取样返回的,只能就地检测,局限性很大。俄罗斯的福布斯-土壤探测器设定的目标是登陆火星的两颗卫星之一的福布斯,这个卫星长得就像是个歪瓜裂枣,肯定是“后娘养的”。

  

  火星和卫星福布斯

  我们大致可以判断,这两个小的不值一提的卫星肯定是火星没事儿捡了个漏。但是小有小的好处,从福布斯上取样,然后起飞返回相对比较容易,不是一件做不到的事情。毕竟福布斯的引力非常的小,很容易脱离。

  但是,即便是崇尚暴力美学的俄国人,也只敢在火星的卫星上打主意,从不敢想从火星上取样返回,因为代价太大了。现在,有了在外星轨道的自动对接技术,运载能力大大提高。从火星取样返回再也不是遥不可及的事情了。有了这套对接技术,我们能玩儿出来的花样就非常多,可以说是打开了一扇崭新的大门。

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