嫦娥五號如何帶回月球上“土特產(chǎn)”

這位我國的使者，將開展月表采樣返回任務(wù)，替我們帶回月球的月壤。值得一提的是，此次任務(wù)將是迄今為止，我國最復(fù)雜的航天任務(wù)

12月1日23時(shí)11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，并傳回著陸影像圖。成功著陸后，著陸器在地面控制下，進(jìn)行了太陽翼和定向天線展開等狀態(tài)檢查與設(shè)置工作，將正式開始持續(xù)約2天的月面工作，預(yù)計(jì)將采集2千克左右的月球“土特產(chǎn)”——月壤。

這看似輕松的一幕，實(shí)際上卻歷盡艱辛，嫦娥五號探測器要像跳傘運(yùn)動員一樣在深空完成一系列高難度動作：主動減速、快速調(diào)整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段……這位我國的使者，將開展月表采樣返回任務(wù)，替我們帶回月球的第一抔土。值得一提的是，此次任務(wù)將是迄今為止，我國最復(fù)雜的航天任務(wù)。

今天我們就來拆解一下這項(xiàng)最復(fù)雜任務(wù)，看看嫦娥五號將如何采樣、如何將寶貴的月壤送回地球。

月球的珍貴土壤，將怎樣被帶回地球的

要想將一部分月壤樣本帶回地球，毫無疑問地，我們需要有一個(gè)從月球起飛的火箭（即上升器），她能夠攜帶著這些月球紀(jì)念品離開月球。

但是，在離開月球之后，我們會有若干個(gè)選擇：在月球軌道上停泊一會兒，或者是直接返回地球。

直接返回地球這個(gè)選擇聽起來非常簡單直接，也確實(shí)能省下好多事情，蘇聯(lián)三次月球表面采樣任務(wù)便是這樣開展的。但是，由于人類目前還沒有在月球建立火箭制造基地，因此這枚上升器必須由地球出發(fā)，再將封裝好的月壤樣品送回地球表面。這就意味著上升器會需要攜帶有返回地球所需要的全套物資，就會導(dǎo)致其變重。而如果上升器變重，相應(yīng)地，就需要更多的燃料，才能將其送到月球表面，最終會導(dǎo)致探測器整體起飛質(zhì)量的大幅增加。

即使“長征五號”盡管是我國現(xiàn)役運(yùn)力最大的火箭，這樣的起飛質(zhì)量需求對她來說，也很難滿足，畢竟她月球轉(zhuǎn)移軌道的投送能力是8噸左右。

因此，我們的上升器為了多裝月壤，只能輕裝上陣，放棄一些不必要的物資，在月球軌道上飄一段時(shí)間。

既然在月球軌道上有一個(gè)等待返回的火箭，那么勢必需要一個(gè)軌道器待命，為火箭提供返回地球的動力。而一般地，軌道器是不具備再入設(shè)計(jì)的，因此，需要一個(gè)再入器，來抵抗火箭以接近第二宇宙速度再入地球時(shí)產(chǎn)生的高溫。

同時(shí)，為了減少返回的負(fù)載，在對接完畢之后，上升器還需要進(jìn)行樣品的轉(zhuǎn)移與交接，將樣品從上升器中裝入再入器，進(jìn)行封裝。

最后，我們還需要把上升器從月球軌道上送下去，也就有了著陸器的設(shè)計(jì)。

所以，相比于前面“嫦娥一號”到“嫦娥四號”的月球探測器，“嫦娥五號”的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，足足有4個(gè)主要部件——上升器、著陸器、再入器和軌道器，而“嫦娥一號”與“嫦娥二號”僅僅是一個(gè)軌道器，“嫦娥三號”與“嫦娥四號”也只有一個(gè)著陸器與一個(gè)巡視器。

一次探月飛行都有哪些難點(diǎn)

從任務(wù)的操作來看，一次探月飛行包括兩次發(fā)射（地面發(fā)射與月面發(fā)射），兩次著陸（月面著陸與地球著陸），兩次封裝（月面封裝與月軌封裝），一次交會對接（月軌對接）。

可以看到，整個(gè)任務(wù)的復(fù)雜度大大增加，而且全新的任務(wù)要求更是對我國航天人的重大考驗(yàn)。好在，這些考驗(yàn)在過去幾年的歷程中，早已被我們一一攻克。

首先是發(fā)射。發(fā)射可以分為地面發(fā)射與月面發(fā)射兩個(gè)不同的任務(wù)。地面發(fā)射任務(wù)的難點(diǎn)主要在“長征五號”本身，7月份發(fā)射的“天問一號”仍然在飛行途中，相信肩負(fù)重任的胖五也能一切順利！

而月面發(fā)射任務(wù)的難點(diǎn)主要在起飛階段——不同于地面發(fā)射場完備的保障體系，月面發(fā)射存在不可控的因素，最突出的一點(diǎn)就是落月位置。

著陸器的落月范圍是存在誤差的，而這點(diǎn)誤差就會帶來發(fā)射地點(diǎn)的經(jīng)緯度、坡度、高程的變化。為了解決這個(gè)問題，嫦娥五號必須能夠精確地知道自己身處何方，狀態(tài)如何，從而為上升數(shù)據(jù)注入提供依據(jù)。

同時(shí)，由于下端就是著陸器，上升器在點(diǎn)火的瞬間會有一個(gè)較強(qiáng)的沖擊，這也是影響她能否正常起飛的重要因素。

第二是著陸。著陸可以分為月面著陸與地面著陸兩個(gè)不同的任務(wù)。月面著陸已經(jīng)有“嫦娥三號”“嫦娥四號”珠玉在前，特別是落在月背的“嫦娥四號”，著陸精度顯著提升，月面著陸對于“嫦娥五號”而言并不是一個(gè)太大的問題，唯一需要注意的就是她攜帶了上升器，因此其質(zhì)心較高，容易失去穩(wěn)定性，但這個(gè)問題是比較容易克服的。

真正的挑戰(zhàn)來自地面著陸。由于月球與地球的距離遙遠(yuǎn)，在離開月球返回地球的路上，火箭的速度會不斷上升，在進(jìn)入地球大氣層時(shí)，會以第二宇宙速度左右的高速再入。為了防止她因?yàn)闇囟冗^高而再入失敗，一般有兩種方案：第一是增加熱盾厚度，抵抗再入時(shí)產(chǎn)生的高溫;第二是調(diào)整再入角度，延長再入時(shí)間。

第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是簡單，再入路徑短，落區(qū)誤差小，但缺點(diǎn)是熱盾將變得極其沉重;第二種方案的優(yōu)缺點(diǎn)則正好相反。而這次“嫦娥五號”的再入器將攜帶有至少2kg重的月壤樣本，可以說是收獲滿滿，增大熱盾厚度將會“牽一發(fā)而動全身”，令整個(gè)探測器增重許多，因此我國選擇的是第二種方法。

由于再入角度特殊，“嫦娥五號”的再入器甚至?xí)诖髿鈱用芏茸兓牟糠职l(fā)生跳躍，跳出大氣層，隨后二次再入。這一俗稱“太空打水漂”的方案進(jìn)一步增大了落點(diǎn)控制的難度。

那么，這個(gè)方案可不可行？答案是可行的。因?yàn)樵缭?014年，我國就利用“嫦娥五號T1”試驗(yàn)器“舞娣”進(jìn)行了一次測試，再入器樣件在經(jīng)過了長時(shí)間的再入之后，安安穩(wěn)穩(wěn)地落在了預(yù)定的落區(qū)范圍內(nèi)，圓滿完成了任務(wù)，驗(yàn)證了再入技術(shù)的可靠性。

第三是封裝。封裝可以分為月面封裝與月軌封裝兩個(gè)不同的任務(wù)。

在月面上的封裝，是對于月壤而言的，“嫦娥五號”的機(jī)械臂在采集月壤樣本之后，將其通過一系列方式送入上升器中，進(jìn)行第一次封裝，防止其在離開月球的過程中出現(xiàn)損耗。第二次封裝則是上升器的月壤轉(zhuǎn)移到再入器中，來保護(hù)月壤樣品不受再入時(shí)惡劣環(huán)境的影響。

這兩個(gè)任務(wù)非常重要，一旦操作不當(dāng)，甚至?xí)怼肮μ澮缓垺钡膼汗囅胍幌?，再入器扛過了極端惡劣的環(huán)境，但是她的密封蓋卻被打開，里面的樣本付之一炬，那是何等地令人遺憾！因此封裝工作的唯一要求就是嚴(yán)絲合縫，完全地密封。

這次封裝工作的難點(diǎn)在于它是完全無人操作的——以往的再入器，要么不打開封裝蓋（返回式生物衛(wèi)星、無人飛船），要么是有人飛船，航天員能夠進(jìn)行細(xì)致的檢查。當(dāng)人這一重要角色缺位的時(shí)候，要想全自動地實(shí)現(xiàn)月壤“采集-包裝-轉(zhuǎn)移-封裝”一條龍服務(wù)，難度可想而知。

第四就是月球軌道對接。盡管我國的空間自主交會對接工作技術(shù)已經(jīng)成熟，但這些都是在地球軌道上進(jìn)行的，有充足的地面站與人造衛(wèi)星資源提供精準(zhǔn)的測距、定位、導(dǎo)航服務(wù)，在月球軌道附近，這些服務(wù)資源將大大減少，需要更多地讓探測器自主實(shí)現(xiàn)?？梢哉f，在月球軌道進(jìn)行交會對接的工作，也是這次任務(wù)的重點(diǎn)之一。

除了以上難點(diǎn)之外，探測器的部件多導(dǎo)致連接件數(shù)量多，由此引發(fā)的強(qiáng)度問題，探測器之間的即時(shí)通信，采樣機(jī)械臂在月球特殊環(huán)境下的可靠性等，都是此次任務(wù)需要一一予以驗(yàn)證與解決的問題。

此外，即便“嫦娥五號”任務(wù)完成之后，再入器內(nèi)部的環(huán)境仍然是真空，在我們揭開蓋子的時(shí)候，仍然需要在設(shè)施完善的特殊實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，以防止地球大氣的涌入對樣本造成影響。

這些細(xì)節(jié)貫穿著這次“嫦娥五號”任務(wù)的始終，其中任何一環(huán)出了問題，都將對任務(wù)造成毀滅性的影響。

也正因如此，“嫦娥五號”成為我國迄今為止最為復(fù)雜的航天任務(wù)。為了在這場大考中交出一份滿意的答卷，中國航天幾乎所有的先進(jìn)技術(shù)都將得到使用，各個(gè)部門的“航天人”用完備的論證，充分的實(shí)驗(yàn)，辛勤的汗水，凝結(jié)成了“嫦娥五號”的戰(zhàn)衣，帶著我們的希望，伴隨她前往這漫漫的征途。（來源：科普中國）