揭秘嫦娥五號(hào)落月背后驚心動(dòng)魄的800 秒

月球，嫦娥五號(hào)終于來了！北京時(shí)間12月1 日23 時(shí)11 分，嫦娥五號(hào)探測器成功著陸在月球正面預(yù)選著陸區(qū)。隨后，嫦娥五號(hào)開啟“挖土”模式：12 月2 日4 時(shí)53 分，嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝。目前，著陸器和上升器組合體正按計(jì)劃進(jìn)行表取采樣。中國航天科技集團(tuán)嫦娥五號(hào)探測器研制專家表示，從發(fā)射升空到成功落月，7 天跋涉38 萬公里，800 多秒驚心動(dòng)魄的落月過程，嫦娥五號(hào)探測器的表現(xiàn)近乎完美。作為中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號(hào)任務(wù)將從月球采集約兩千克月球樣品返回地球，后續(xù)任務(wù)更加可期。

落月點(diǎn)“風(fēng)暴洋”：人類此前從未到訪

據(jù)國家航天局消息，12 月1 日22 時(shí)57分，嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體從距離月面約15 公里處開始實(shí)施動(dòng)力下降，其最終著陸點(diǎn)，位于月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)。這是人類探測器此前從未到訪的地方。這里周圍有1300 米高的火山群，環(huán)境之險(xiǎn)峻名副其實(shí)，讓嫦娥五號(hào)此行更加充滿探險(xiǎn)的意味。此前，美國阿波羅計(jì)劃從月球累計(jì)帶回380 多千克月球樣品，蘇聯(lián)依靠無人飛行器分3 次共獲得了300 余克月壤。然而，美國、蘇聯(lián)等國家的航天器均未到訪過呂姆克山脈附近。

全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩表示，月球正面風(fēng)暴洋相對(duì)年輕，富集鈾、釷、鉀等放射性元素，存在大約13 億至20 億年前的玄武巖，獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助于推進(jìn)對(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí)。它可以填補(bǔ)科學(xué)家對(duì)月球火山活動(dòng)研究的一個(gè)重要空白。

中國航天科技集團(tuán)五院專家告訴記者，由于涉及采樣后上升器的月面起飛，嫦娥五號(hào)落月的過程也是為后續(xù)上升器月面起飛選擇“發(fā)射場”的過程。因此，相較于嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)，嫦娥五號(hào)需要著陸區(qū)域內(nèi)無太高的凸起、無太深的凹坑，并且坡度要符合任務(wù)要求，這對(duì)著陸點(diǎn)的位置精度和平整度方面提出了更高要求。專家表示，歷經(jīng)主動(dòng)減速、快速調(diào)整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段，嫦娥五號(hào)這穩(wěn)穩(wěn)的一落看似輕盈輕松，卻蘊(yùn)藏著科研人員的眾多智慧和積淀。

600 公里外一次自主“跳傘”

在選定呂姆克山脈以北地區(qū)作為著陸點(diǎn)后，嫦娥五號(hào)著陸上升組合體如何在短時(shí)間內(nèi)完成一系列難度系數(shù)很大的動(dòng)作，穩(wěn)穩(wěn)地降落在月球表面？中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢告訴記者，嫦娥五號(hào)任務(wù)的落月和近月制動(dòng)一樣，且只有一次機(jī)會(huì)，必須一次成功。簡單說，它是一邊飛行一邊尋找落點(diǎn)，如同一次從600 公里外開始、在15 分鐘內(nèi)完成的自主“跳傘”。

據(jù)他介紹，為了實(shí)現(xiàn)“選址正確、落得準(zhǔn)確”，嫦娥五號(hào)采用了已經(jīng)在嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)上成功應(yīng)用的“粗精接力避障”方式。這種方式是在由中國航天科技集團(tuán)五院502 所研制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)指揮下，著陸上升組合體先大推力反向制動(dòng)減速，然后快速調(diào)整姿態(tài)，對(duì)預(yù)定落區(qū)地形進(jìn)行拍照識(shí)別，避開大的障礙，實(shí)現(xiàn)“粗避障”，之后再斜向落向選定的著陸點(diǎn)，飛到著陸點(diǎn)正上方后改為垂直下降，在接近月面時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，落在月球上。

值得一提的是，嫦娥五號(hào)落月最后階段的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，需要有精準(zhǔn)的指令。中國航天科工集團(tuán)研制的γ 關(guān)機(jī)敏感器，就是落月過程中的“剎車指令員”。中國航天科工集團(tuán)研制專家告訴記者，落月開始后，置于嫦娥五號(hào)底部的γ 關(guān)機(jī)敏感器便實(shí)時(shí)測量著探測器與月面的距離。當(dāng)嫦娥五號(hào)落到距月面不足5 米高度時(shí)，該設(shè)備發(fā)出關(guān)機(jī)指令，關(guān)閉軌控和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。這一瞬間，決定著落月任務(wù)的成敗。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)反推力的撤離，嫦娥五號(hào)得以翩然落月。

嫦娥五號(hào)4 條“腿”不一般

落月的關(guān)鍵在于平穩(wěn)。據(jù)中國航天科技集團(tuán)五院專家介紹，離開了發(fā)動(dòng)機(jī)的反推，嫦娥五號(hào)是以自由落體形式著陸的。雖然月球引力較小，降落高度也不高，但撞擊月面時(shí)仍會(huì)形成一定沖擊載荷。這就需要著陸緩沖系統(tǒng)發(fā)揮作用，吸收著陸時(shí)的沖擊載荷，同時(shí)保證探測器“不翻倒”“不陷落”。著陸緩沖機(jī)構(gòu)，就是嫦娥五號(hào)的“腿”。

彭兢表示，與嫦娥三號(hào)的著陸緩沖設(shè)計(jì)方案相比，由于任務(wù)難度增加，嫦娥五號(hào)任務(wù)的著陸緩沖能力要求提高了30%，但機(jī)構(gòu)重量指標(biāo)卻減少了5%。

按照他的說法，嫦娥五號(hào)的“腿”繼承了嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)的良好基因，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面問題，確保嫦娥五號(hào)穩(wěn)定可靠地完成與月球的“親密擁抱”。

“天黑請(qǐng)閉眼”

鮮為人知的是，在降落過程中，嫦娥五號(hào)著陸上升組合體距離月面較近時(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)激起月塵，容易觸發(fā)月塵污染星敏感器，從而影響上升器后續(xù)的月面起飛。

中國航天科技集團(tuán)五院502 所專家告訴記者，為了不讓月塵“迷了上升器的漂亮眼睛”，科研人員特別設(shè)計(jì)了一個(gè)蓋子。在距離月面一定高度時(shí)把星敏感器的鏡頭蓋起來，待落月之后月塵散去，再通知星敏感器把蓋子打開。

這“一睜一閉”之間，著陸器和上升器組合體已經(jīng)順利著陸在月亮之上。這一過程被科研人員稱為“天黑請(qǐng)閉眼”。嫦娥五號(hào)落月過程中，還有一些鮮為人知的精妙設(shè)計(jì)。從表面看，是著陸器“托著”上升器降落到月面，而實(shí)際上，著陸器上制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的工作，卻受助于上升器上的中央控制計(jì)算機(jī)和星敏感器。中央控制計(jì)算機(jī)是上升器在月面起飛時(shí)要用的“最強(qiáng)大腦”，星敏感器則能讓上升器通過“看星星”確定自己的姿態(tài)。

這樣的合作，是設(shè)計(jì)人員結(jié)合“上升器全程陪同著陸器”的實(shí)際想出的妙招，既節(jié)約了成本，又減輕了重量。

定向天線“一線牽”

整個(gè)落月過程牽動(dòng)國人的神經(jīng)，38 萬公里外的嫦娥五號(hào)正經(jīng)歷著什么樣的考驗(yàn)？所有的信息，都需通過著陸上升組合體的一口小小的“鍋”來傳送遙測數(shù)據(jù)。這個(gè)“小鍋”就是定向天線——把探測器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴陌l(fā)射轉(zhuǎn)換裝置。

中國航天科技集團(tuán)五院專家表示，相比地面上的手機(jī)，地月通信距離遠(yuǎn)了幾萬倍，數(shù)據(jù)發(fā)送需要采用特殊的對(duì)地定向天線。由五院總體設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的定向天線采用雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就像人的肩肘關(guān)節(jié)，能讓反射面天線輻射器靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，始終對(duì)準(zhǔn)地面，向地球傳送嫦娥五號(hào)落月的遙測數(shù)據(jù)。

嫦娥五號(hào)任務(wù)被認(rèn)為是我國目前技術(shù)難度最大、系統(tǒng)組成最復(fù)雜的航天任務(wù)之一。成功著陸在月球表面后，嫦娥五號(hào)探測器將開展為期約兩天的月面工作，“使出渾身解數(shù)”采集約兩千克月球樣本，有望實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體采樣。

“我們的目標(biāo)是兩千克，經(jīng)過論證，兩千克是數(shù)量上不算少，工程上可實(shí)現(xiàn)?！眹液教炀痔皆屡c航天工程中心副主任、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇說，“但是作為對(duì)這次任務(wù)的考核，我們的目標(biāo)是采樣返回，采到樣品、返回地球，就是成功。不管帶回多少，都是成功?！?/p>