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推进剂仅消耗0.3%!嫦娥五号轨道器再出发,燃料富余动力充沛

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  春蚕到死丝方尽,蜡炬成灰泪始干。嫦娥五号在历经23天艰难跋涉之后成功返回地球,然而它的任务却没有终结。

  嫦娥五号11个重大任务阶段一路走来犹如一场断舍离的接力赛,着上组合体与轨返组合体两两分离、支撑舱与轨返组合体分离、上升器起飞与着陆器分离、上升器与轨返组合体对接、上升器及对接样品转移机构与轨返组合体分离……

  

  嫦娥五号的断舍离

  去年12月17日当返回器与轨道器在距离地球约5000公里处分离后,轨道器随即机动规避,避免与返回器一道再入大气层。轨返分离那一刻开始,返回器进入再入返回航程,轨道器也随即进入拓展任务阶段。

  独自在太空游荡的轨道器这一次要飞得更远,其第一拓展目标是飞向距离地球约150万公里的日地拉格朗日L1点,具体任务有如下四条:

  1.验证地球出发至日地L1点转移轨道的设计与控制技术;

  2.验证L1点环绕轨道设计与控制技术,并展开长期探测;

  3.检测L1点附近光照、辐照等环境,验证探测器分系统适应能力;

  4.择机开展日凌期间测控通信试验。

  

  轨道器与返回器分离

  拉格朗日点可视作两个天体的万有引力平衡点,基于引力赋予的向心力人类可在拉格朗日点部署环绕该点运行的探测器,在此运行的探测器只需消耗极少燃料即可维持轨道,是天文观测、测控通信、空间探测等类型航天器的优选轨道。

  谈到拉格朗日点对于中国航天来说其实并不陌生,尤其是嫦娥探月工程曾多次展开拉格朗日点探测活动或任务。

  

  日地系拉格朗日点分布

  拉格朗日点总共有5个点,分别是L1点、L2点、L3点、L4点、L5点,L1点位于两个天体连线之间,L2点位于两个天体连线延长线小天体一侧,L3点位于两个天体连线延长线大天体一侧,L4点则在两个天体连线为底的等边三角形第三个顶点上,且在小天体运行轨道前方,L5点也在两个天体连线为底的等边三角形第三个顶点上,但在小天体运行轨道后方。

  嫦娥探月工程曾先后数次对拉格朗日点展开探测,首先是2010年10月1日发射升空的探月二期工程先导星嫦娥二号,该探测器在完成高分辨率全月图成像及既定工程目标后于2011年6月9日飞离月球,这是人类第一个由月球轨道出发前往日地拉格朗日L2点的探测器

  

  嫦娥二号

  日地L2点位于太阳与地球连线延长线地球一侧,距离地球约150万公里,嫦娥二号实现了从月球轨道飞赴L2点的轨道设计、飞行控制和远距离测控通信。开展了对地球远磁尾离子能谱、太阳耀斑爆发、宇宙伽马爆等科学探测。

  2014年4月24日,探月三期工程先导星嫦娥5T1再入返回试验飞行器发射升空,该探测器是嫦娥五号任务的验证飞行器。

  主要验证月地转移轨道高速半弹道跳跃式再入返回技术,当探测器自月球轨道归来释放返回器后,轨道器如同今时今日的嫦娥五号轨道器一样随即实施轨道机动,最终进入到一条远地点54万公里、近地点600公里的大椭圆转移轨道,后续又借力月球奔赴地月拉格朗日L2点,并建立环绕运行轨道。

  

  嫦娥5T1轨道器轨道机动

  就在此时此刻我们还有一颗部署于地月拉格朗日L2点环绕轨道的探测器,它就是服务嫦娥四号探测器月背中继通信的鹊桥卫星,目前该探测器已在该点环绕轨道稳定运行两年以上。

  综上所述,中国航天先后对日地拉格朗日L2点、地月拉格朗日L2点实施过三次探测,而今嫦娥五号轨道器对日地拉格朗日L1点的探测又将是一个首次。

  

  运行于地月拉格朗日L2点的鹊桥卫星

  话说嫦娥五号在完成11个重大阶段性任务,以一己之力拿回5倍于苏联三次采样返回任务总和的月壤后,为什么还有余力做拓展任务?

  足够的燃料、完善的姿轨控动力系统、电力供应、深空测控通信是航天器实施深空探测任务的四大必备条件。

  

  嫦娥五号四器完全体

  嫦娥五号发射质量8.25吨,从上至下分为上升器、着陆器、返回器、轨道器四大舱段,着陆器与上升器组合体发射质量3.7吨,由此可知轨道器与返回器组合体发射质量为4.55吨,返回器重量则是300公斤,那么剩余的4.25吨即为轨道器重量。

  4.25吨是轨道器的发射质量,并不代表现今奔向日地拉格朗日L1点的轨道器质量。轨道器作为嫦娥五号探测器的太空摆渡车需要在多个轨控阶段点火消耗大量燃料,4.25吨发射质量就包含了3吨推进剂。

  

  轨道器发射质量4.25吨

  轨道器在地月转移飞行期间实施了两次轨道中途修正,1台3000N发动机与2台150N发动机分别点火2秒与6秒,接近月球轨道后又先后实施两次近月制动,第一次近月制动3000N发动机工作了17分钟,此一阶段消耗燃料最多。

  环月运行阶段轨道器又先后实施了4次调相机动与一次组合体调相机动,返回地球时轨道器又进行两次月地转移入射,其中第二次转移入射4台150N发动机持续点火22分钟,推进剂消耗量仅次于第一次近月制动,后续在月地转移飞行期间又实施了3次轨道中途修正。

  在完成一系列轨控任务后,轨道器剩余燃料还有200多公斤。

  

  官宣剩余燃料

  那么,这200多公斤剩余燃料是多还是少?

  当然是远超预期的“多”,轨道器初始空重约为1.25吨,在环月飞行阶段又先后分离包络返回器的支撑舱与对接样品转移机构,空重进一步降低,现今轨道器空重仅为1吨左右,加上轨道器此时已经处于大椭圆轨道之中,探测器初始速度足够,200多公斤燃料可以说是绰绰有余。

  

  轨道器分离对接与样品转移机构

  节余燃料为什么这么多?主要由两点原因共同促成。

  首先得益于长征五号遥五运载火箭高精度的入射轨道,使得嫦娥五号轨控需求大大降低,第一次轨道中途修正只点火工作了2秒时间,目的是为了标定3000N轨控发动机空间推力,如果不是这个需求此次轨道中途修正可以直接取消。此外,原定的第三次轨道中途修正更是被直接取消。

  最终嫦娥五号轨道器设计用于轨道修正的推进剂仅消耗了0.3%,导致这个结果的直接原因是我们也不知道嫦娥五号任务可以如此成功……

  

  轨道修正推进剂实际仅消耗原计划的0.3%

  严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失16字指示是中国航天追求成功的态度,为了任务成功我们需要料敌从宽,把一切可能的故障问题都考虑进去,因此推进剂冗余能力就需要重点照顾。

  比如,2018年12月8日发射升空的嫦娥四号,该探测器刚进入轨道不久就遭遇燃料泄漏险情,而4天后探测器就要进入关键的近月制动环节。

  

  嫦娥四号器箭分离

  嫦娥四号轨道设计组通宵达旦地讨论设计新的推进剂优化节余轨道,最终嫦娥四号选择取消7500N变推力发动机空间推力标定环节,后续的环月运行策略也调整为两次降轨设计,这才保障了嫦娥四号有充裕的燃料余量,实际上早在任务实施前轨道设计组就提前准备了节余燃料的联合优化控制技术。

  当嫦娥四号安全落月后,贮箱里的推进剂余量竟然还有3公斤,要知道嫦娥四号下降轨迹比嫦娥三号陡峭得多,这意味着推进剂消耗量更大,在这样一个背景下还能有这么多燃料节余是非常难得的,也体现出嫦娥团队面对艰难险重任务时的镇定与睿智。

  

  嫦娥四号着陆器

  如今嫦娥四号着陆器与巡视器在月球背面已于本月3日迎来了部署月面两周年纪念日,玉兔二号已经成为人类部署月面行驶时间最长的月球车,而今项目团队为两器延寿任务又制定了进一步的详细方案。

  嫦娥五号作为探月三期工程收官之作,全国瞩目、世界瞩目,影响力空前,为了万无一失各分系统团队设计了数以百计的应急预案,到头来11个重大阶段任务完美无瑕,应急预案没一个有机会施展,这是间接促成大量燃料节余的重要原因之一

  

  嫦娥五号轨道器推进系统正样热试车

  除了充足的燃料,动力系统也是轨道器开展拓展任务奔向深空必不可少的条件。

  嫦娥五号探测器四大舱段共配置有77台发动机,轨道器作为地月转移、环月飞行、月地转移飞行的太空摆渡车,配置发动机数量最多、种类最多,轨道器共有27台发动机,返回器、着陆器、上升器则分别是12台、17台、21台。

  

  嫦娥五号3000N发动机点火近月制动

  轨道器27台发动机中既有大推力的3000N主轨控发动机,也有较小推力的150N轨控发动机,同时还有多种推力的姿控发动机,这些推力各异的发动机使得轨道器拥有足够的机动能力在太空空间“闪转腾挪”。

  

  嫦娥五号轨道器

  嫦娥五号轨道器还配置有我国光电转换效率最高的太阳能电池,电力供应能力同样绰绰有余。

  深空任务还需要深空测控网支持。轨道器相当于嫦娥五号探测器的神经中枢,不仅有用于在轨指挥控制的计算机系统,也有用于天地测控数据传输的通信天线。

  

  嫦娥五号轨道器天线设备

  要想让探测器的每一个动作准确实施,就必须建立天地通信链路。已经胜利收官的月球采样返回任务与即将抵达火星的天问一号探测器给出了答案,服务两大任务的深空测控网已经建成并投入使用

  我们在喀什、佳木斯、阿根廷萨帕拉分别设立了深空测控站,其中佳木斯66米口径天线最远测控距离可以触达冥王星为代表的太阳系边际空间。

  就在天问一号奔火期间国家天文台所属天津武清站又新建了70米口径亚洲最大全可动射电天线,用于接收来自遥远深空的微弱信号。

  

  佳木斯深空站

  由此笔者不由得回想起嫦娥二号探测器,该星在完成月球任务后又顺利实施了日地拉格朗日L2点、图塔蒂斯小行星飞掠探测、深空测控通信测试等拓展任务,可以说是战果辉煌。然而项目团队最初计划的拓展任务是让嫦娥二号去火星轨道,但由于当时深空测控网的建设还没跟上,所以不得不退而求其次。

  如今嫦娥五号轨道器对比它的前辈有更强的深空测控能力支持,可以去的地方当然远不止日地拉格朗日L1点。后续根据轨道器状态和约束条件等情况,还将继续向其他深空目标迈进,比如太阳系八个行星之一的金星,而这又将是一次拓荒之旅!

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