嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

本文作者：付靜

2020-12-05 12:26

導(dǎo)語(yǔ)：48 小時(shí)內(nèi)，嫦娥五號(hào)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(guó)航天史上的重要一天。這一天，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了地外天體起飛。

23 時(shí) 10 分，嫦娥五號(hào)上升器 3000N 發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)的月面 48 小時(shí)

實(shí)際上，12 月 1 日 23 時(shí) 11 分，嫦娥五號(hào)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(shí)，嫦娥五號(hào)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(hào)探測(cè)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(guó)迄今為止最為復(fù)雜的航天任務(wù)。

公開(kāi)資料顯示，嫦娥五號(hào)此次任務(wù)共有 11 步。

北京時(shí)間 2020 年 11 月 24 日凌晨 4 時(shí) 30 分，搭載著嫦娥五號(hào)探測(cè)器的長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功點(diǎn)火發(fā)射，任務(wù)自此展開(kāi)。

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

不難想象，嫦娥奔向月亮的過(guò)程并不容易，在地月轉(zhuǎn)移過(guò)程中，受入軌偏差、控制偏差等多種因素影響，探測(cè)器難免會(huì)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(hào)先后完成了兩次軌道修正。

至此，嫦娥五號(hào)已經(jīng)歷了大約 112 小時(shí)的飛行，順利到達(dá)了近月點(diǎn)，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(dòng)。

簡(jiǎn)單來(lái)講，嫦娥五號(hào)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(lái)。

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

和地面行駛的汽車(chē)原理一致，在近月制動(dòng)時(shí)段，嫦娥五號(hào)也進(jìn)行了 2 次剎車(chē)制動(dòng)。

隨后進(jìn)入環(huán)月飛行階段，即第四階段。

相比「前浪」們，嫦娥五號(hào)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(dòng)力）
返回器（帶著樣本回到地球）
著陸器（用于登月時(shí)的下降）
上升器（帶樣本從月球起飛）

這一階段，嫦娥五號(hào)一邊飛行，一邊要進(jìn)行一項(xiàng)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(yùn)行，承載著上升器的著陸器將進(jìn)行軟著陸和采樣任務(wù)。

這之后，嫦娥五號(hào)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(huì)直接影響到發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度、坡度、高程的變化，所以嫦娥五號(hào)必須知道自己身處的精確位置和狀態(tài)。

據(jù)國(guó)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(kāi)始實(shí)施動(dòng)力下降，7500 牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)，嫦娥五號(hào)的相對(duì)月球速度從約 1.7 公里/秒逐步下降至零。

經(jīng)過(guò)自動(dòng)檢測(cè)障礙，嫦娥五號(hào)選定了著陸點(diǎn)，最終于 12 月 1 日 23 時(shí) 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(guò)程中，著陸器搭載的相機(jī)還拍了下面這張照片。

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

由此，嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)正式開(kāi)始。

月面自主工作 48 小時(shí)

在月面的 48 小時(shí)，嫦娥五號(hào)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(hào)采取了鉆具鉆取、機(jī)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(shí)共 19 小時(shí)。

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢對(duì)此做了解釋：

鉆取就是通過(guò)空心鉆桿的取芯機(jī)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(jī)械臂末端固定鏟挖型采樣器，進(jìn)行表層和次表層月壤采集。

機(jī)械臂和鉆頭精確配合，兩種取樣方式同時(shí)進(jìn)行，樣品的種類更為豐富，可靠性也會(huì)提升。

隨后就進(jìn)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(tuán)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(bào)道：

這一系統(tǒng)能夠自動(dòng)承接、封裝月球樣品，還具有密封功能的裝置。

另外對(duì)于封裝的方式，中國(guó)工程院院士、國(guó)家航天局原局長(zhǎng)、探月工程首任總指揮欒恩杰有個(gè)形象的比喻——哈爾濱香腸：

因?yàn)榈厍蚝驮虑虻沫h(huán)境是不一樣的，樣品不能在轉(zhuǎn)移到地球的時(shí)候受到污染，因此要把鉆取的巖芯裝進(jìn)一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的包裹緊密封裝好，就像哈爾濱香腸一樣。

實(shí)際上他所形容的正是航天科技集團(tuán)五院 529 廠設(shè)計(jì)的「雙管單袋方案」。鉆取到的樣品自動(dòng)進(jìn)入取芯軟袋，取芯軟袋的拉繩上提，經(jīng)過(guò)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(hào)接下來(lái)要做的是一件儀式感滿滿的事情：升國(guó)旗。

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

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

也就是說(shuō)，環(huán)境決定了月面五星紅旗材質(zhì)的特殊性?？蒲袌F(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)際試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單一纖維和紡織工藝都無(wú)法滿足環(huán)境要求。國(guó)旗展示系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人程昌表示：

在選材上花費(fèi)的時(shí)間超過(guò) 1 年，挑選出了二三十種纖維材料，通過(guò)熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等試驗(yàn)，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(gè)問(wèn)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(guó)旗也并非易事。據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道：

系統(tǒng)立項(xiàng)初期，科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種展示形式，比如記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機(jī)構(gòu)展示方案等通過(guò)卷軸形式展開(kāi)國(guó)旗，以及以折扇形式展開(kāi)國(guó)旗方案。高低溫試驗(yàn)表明，只有卷軸形式展開(kāi)的國(guó)旗比較平整，不會(huì)出現(xiàn)褶皺等情況。

經(jīng)過(guò)科研團(tuán)隊(duì)的努力，國(guó)旗展示系統(tǒng)成型，整個(gè)系統(tǒng)重量在 1 公斤以內(nèi)，其中國(guó)旗重量?jī)H 12g，國(guó)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(hào)、四號(hào)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(dòng)態(tài)展示。

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)

隨后又到了另一個(gè)重要環(huán)節(jié)：月面起飛。

這一次，著陸器扮演著上升器「臨時(shí)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(zhǔn)與起飛平臺(tái)姿態(tài)不確定、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限、地月環(huán)境差異。

12 月 3 日 23 時(shí) 10 分，上升器 3000N 發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)入了預(yù)定環(huán)月軌道。

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

靜待嫦娥歸來(lái)

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(hào)還要經(jīng)歷交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收四個(gè)階段，面臨著種種考驗(yàn)，其中可預(yù)見(jiàn)的三點(diǎn)最大的難題在于：

此前我國(guó)的空間自主交會(huì)對(duì)接工作都是在地球軌道上進(jìn)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(duì)接是一大難題。
為防止月壤樣品在再入過(guò)程中受影響，嫦娥五號(hào)還將進(jìn)行一次月軌樣品封裝。
由于月地間的距離遙遠(yuǎn)，在返回地球時(shí)，火箭的溫度會(huì)隨著速度不斷上升，在進(jìn)入地球大氣層時(shí)可能會(huì)因?yàn)闇囟葐?wèn)題再入失敗。

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

嫦娥五號(hào)的月面 48 小時(shí)