非常23 天！“嫦娥五號”奔月帶回“土特產(chǎn)

本刊綜合

嫦娥奔月不止是神話傳說，繼“三姐”“四姐”后，2020 年11 月24 日4 時30 分，嫦娥“五姑娘”搭乘長征五號遙五火箭發(fā)射升空，又一次奔赴月球，落在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，之后成功帶回月球的“土特產(chǎn)”，實現(xiàn)我國首次月面采樣返回。

這可不是一件容易的事兒，需闖過重重關(guān)卡才能完成任務(wù)。從地面發(fā)射升空到落月“挖土”，從月面起飛到精確入軌，從月球軌道無人交會對接到返回地球……每個環(huán)節(jié)都必須保證無誤，每一次操作都必須精準到位。

那么，嫦娥五號探測器（下稱“嫦娥五號”）為什么要千里迢迢去月球“挖土”？為了捧回那抔土，她到底有多拼？有哪些厲害的裝備助她闖關(guān)成功？我們一起來深入地了解一下吧。

嫦娥“五姑娘”長啥樣

好似糖葫蘆

“嫦娥五號”是我國目前發(fā)射的最重的探測器，重達8.2 噸，由軌道器、返回器、著陸器和上升器“串聯(lián)”而成，猶如一串糖葫蘆。

軌道器、返回器、著陸器和上升器各自獨立，又常?！氨А痹谝黄鸾M成不同的“組合”，比如著上組合體、軌返組合體、四器組合體等。

或許你會問，軌道器、返回器、著陸器和上升器這重要的“四器”是用來干什么的？

顧名思義，上升器負責攜帶月球樣品從月球表面起飛，然后進入環(huán)月軌道，與軌返組合體進行交會對接，并把樣品轉(zhuǎn)移到返回器里。著陸器攜帶上升器在月球表面著陸，之后最重要的工作是完成月球表面采樣及封裝。返回器的功能是攜帶月球樣品返回地球。軌道器猶如“太空郵差”，在地月之間構(gòu)建一條太空“物流”通道，既承擔地月往返運輸任務(wù)，將“乘客”安全送往目的地，又在太空中穩(wěn)妥地完成月球樣品的“接收”、“裝箱”工作，將珍貴的樣品送回地球。

為了完成科學任務(wù)，“嫦娥五號”上還裝載了多種有效載荷，包括全景相機、全景相機轉(zhuǎn)臺、降落相機、月球光譜分析儀、月壤結(jié)構(gòu)探測儀、有效載荷數(shù)據(jù)處理器等。

身穿“防熱拼接裝”

返回地球時，“嫦娥五號”以接近每秒11.2 千米的第二宇宙速度進入大氣層，高速摩擦使表面溫度超過3000℃，如此高的溫度會嚴重影響月球樣品，所以科學家給嫦娥五號返回器穿上了“防熱裝”——嫦娥五號返回器采用防熱材料。

防熱材料需要在耐高溫的同時發(fā)揮其結(jié)構(gòu)承載性能，是嫦娥五號返回器的“骨骼”。由于各部位受熱情況不同，嫦娥五號返回器在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風面、側(cè)壁背風面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼這7 個部位分別采用了7 種不同成分的防熱燒蝕材料，材料體系以碳為主。這樣看來，嫦娥五號返回器的“防熱裝”還是時尚的“拼接款”呢。

知識鏈接：熟悉的“陌生人”——月球

在人們眼中，月球就像一個恬靜的姑娘。她的自轉(zhuǎn)周期為655.2 個小時，與繞地球的公轉(zhuǎn)周期相同，約等于地球上的27.3 天。而地球自轉(zhuǎn)一圈只要24 個小時，和月球相比，地球簡直像個旋風小子。

月球還是一個低調(diào)的姑娘。作為太陽系中第五大衛(wèi)星，她本身不發(fā)光，我們在地球上看到的月光來自太陽的反射光。

由于月球只能俘獲微量的太陽風氣體，所以幾乎沒有大氣。缺少大氣的溫度調(diào)節(jié)，月球白天最熱時溫度可達127℃，夜間最冷時溫度可降至-183℃，真是“性格多變”。

月球表面有大大小小的巖石、撞擊坑等，其中雨海是月球表面最大的撞擊盆地之一，遍布年輕的火山巖、巖漿巖，具有獨特的地質(zhì)背景。月球上還蘊藏著大量的自然資源，已知有100 多種礦物。

為什么千里迢迢去挖土

從1969 年到1976 年，6 次阿波羅任務(wù)和3 次月球號任務(wù)帶回了月球表面9 個區(qū)域共計382 千克月球巖石和土壤樣品。正是這些珍貴的月球樣品，讓我們能夠真正接觸到有明確產(chǎn)地的月球物質(zhì)，在實驗室里全方位分析研究這些月球物質(zhì)，確定月球上一部分區(qū)域的絕對年齡——這是月球探測器遙感探測和在地球上分析月球隕石所做不到的。

但是，我們僅僅通過這些月球樣品來認識月球，太局限了，我們對月球的認識不管在空間上還是時間上都是極其不全面的。

唯一的解決辦法就是重返月球，采集更多來自不同地質(zhì)背景、形成于不同歷史時期的月球樣品。只有這樣，我們才能更好地了解月球的歷史，比較全面地認識月球，認識地月系統(tǒng)，甚至了解太陽系的過去。這就是“嫦娥五號”不辭辛苦去月球“挖土”的目的。

“嫦娥五號”挖土選址在月球正面風暴洋的東北角，距離阿波羅任務(wù)和月球號任務(wù)采樣區(qū)1000 千米以上，那里有人類之前未曾找到過的月球“最年輕”的月巖、月壤，它們可能形成于20 億年前甚至6 億年前。

星際闖關(guān)，關(guān)關(guān)不容易

2 次發(fā)射、2 次著陸、1 次月軌交會對接、5 次樣品轉(zhuǎn)移、6 次分離、“繞月”……23 個日日夜夜里，“嫦娥五號”闖過一關(guān)又一關(guān)，完美地完成了任務(wù)。

● 為什么選在凌晨發(fā)射

長征五號遙五運載火箭在凌晨發(fā)射最有利于奔月軌道的設(shè)計，滿足地球和月球位置關(guān)系的限制、火箭射向和滑行時間的約束等各種制約條件。

太陽活動對于“嫦娥五號”來說是非常麻煩的，長征五號遙五運載火箭飛向宇宙的時候，地球正好把太陽光遮住，可避免太多太陽輻射對“嫦娥五號”產(chǎn)生影響。

另外，凌晨天氣狀況比較穩(wěn)定，云層更少，有利于信號傳播，方便科研人員控制“嫦娥五號”。而且，整體環(huán)境亮度比較低，地面的探測儀可以更好地跟蹤“嫦娥五號”。

●“胖五”挑戰(zhàn)高難度動作

在那飛行的2200 多秒里，長征五號遙五運載火箭（又稱“胖五”）在太空完成了高難度動作——長時間滑行。

滑行是指火箭主發(fā)動機關(guān)機后，火箭靠慣性向前飛行。這聽上去絲毫不費力氣，但實際上，長時間滑行對于一枚火箭特別是一枚零下200 多攝氏度的“冰箭”來說，是個不小的考驗。

長征五號遙五運載火箭二級發(fā)動機從一次關(guān)機到再次點火，間隔約935 秒。在這一開一關(guān)之間，長征五號遙五運載火箭要完成箭體姿態(tài)調(diào)整、真空狀態(tài)下推進劑沉底、低溫發(fā)動機二次啟動前預冷等工作，動作非常多。另外，滑行時間長，火箭在空間輻射影響下的環(huán)境變化更加復雜，低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷變化。

●“座椅”更大更舒適

“嫦娥五號”這次奔月乘坐的“座椅”是火箭有效載荷支架，它可不一般，是探月發(fā)射以來最大、最輕的“座椅”。

“座椅”的蒙皮厚度為0.9 毫米，支撐框是空心的，采用碳桁條。器箭接口直徑有3 米多，比以前的尺寸都大。“座椅”內(nèi)各種設(shè)備的空間也更大，保證了器箭銜接的穩(wěn)定性和可靠性。

●險！ 600 千米外“全自主跳傘”

在飛行至距月面1.5 千米處時，“嫦娥五號”利用光學成像敏感器進行粗避障，剔除大型障礙物;當距月面僅百米時，“嫦娥五號”上的備用激光三維成像敏感器進行精確避障，精準識別選好落點。

一邊下降一邊避障，待飛到選定著陸點后，“嫦娥五號”一個側(cè)身開始垂直下降，并在距離月面較近時關(guān)閉發(fā)動機、自由落體……著陸腿緩沖著陸，完美落月！

●穩(wěn)！“嫦娥五號”“大腿”顯身手

通俗地說，著陸緩沖機構(gòu)就是“嫦娥五號”的“腿”。這4 條緩沖、支撐一體化的“腿”可不一般，有著嫦娥三號探測器、嫦娥四號探測器的完美基因，采用具有完全自主知識產(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)定性等多方面的問題。

瞧，靠著那4 條“腿”，“嫦娥五號”穩(wěn)穩(wěn)地在月球表面著陸，與月球“擁抱”，不翻倒、不陷落。

●兩種挖土模式

“嫦娥五號”采用機械臂表取、鉆具鉆取兩種“挖土”模式，通過深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式實現(xiàn)多點、多樣化自動采樣。

●“手臂”指哪挖哪

“嫦娥五號”的“手臂”集高顏值、高科技于一體，各個關(guān)節(jié)的力量都來自安裝在關(guān)節(jié)處的電機。

關(guān)節(jié)臂電機有兩種，個頭不大，力氣不小，而且靈活機動，精度可達1 度以內(nèi)，能讓“嫦娥五號”指哪挖哪。

國旗有話說

在嫦娥五號上升器點火前，我終于在月球上驚艷亮相——第一次月表動態(tài)展示。熾熱的紅、燦爛的黃，我的高光時刻足以讓全國人民振奮。

我是誰？

我是月球上第一面織物五星紅旗。與嫦娥三號探測器、嫦娥四號探測器和玉兔月球車上采用噴涂方式的國旗不同，我是一面真正的旗幟。

我長30 厘米，高20 厘米，僅重11.8 克。別看我不大，但本領(lǐng)超強，能應(yīng)對從-150℃到150℃超高溫、紫外線直射。這得感謝研制我的科研團隊，他們的付出令人感動。

在選材上，科研團隊花費的時間就超過了1 年。他們挑選出二三十種纖維材料，然后通過一系列物理試驗，最終決定采用一種新型復合材料，既能滿足強度要求，又能滿足染色性能要求，還能保證我卷起時在正負150 攝氏度溫差環(huán)境下不會粘連在一起。

我能成功展示，多虧了國旗展示系統(tǒng)。整套系統(tǒng)質(zhì)量只有1 千克，采用二級桿，所有的機構(gòu)和關(guān)鍵位置都經(jīng)過了防冷焊處理。

●三大神器來幫忙

由中國航天科工集團有限公司第二研究院25 所研制的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為中遠距離測量的唯一手段，成功引導首次月球軌道無人交會對接。當軌道器、上升器相距約100 千米時，微波雷達開始工作，不斷為導航控制分系統(tǒng)提供兩臺航天器之間的相對運動參數(shù)，并進行雙向通信。兩臺航天器根據(jù)微波雷達提供的信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對接機構(gòu)捕獲、鎖定上升器。

“嫦娥五號”采用的對接機構(gòu)由3 套K 形抱爪構(gòu)成，具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點。

連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)設(shè)計巧妙，具有兩套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4 次伸縮可以讓容器移動到返回器中。

●“打水漂”式返回

“打水漂”式返回即半彈道跳躍式再入，嫦娥五號返回器先高速進入地球大氣層，之后與大氣產(chǎn)生相互作用力，像打入水中的小石子一樣彈跳起來，跳出大氣層，到達最高點后開始滑行下降。然后，返回器第二次進入大氣層，實施二次氣動減速，最后返回地面。

為什么返回器要采用這樣的方式返回呢？

嫦娥五號返回器帶著月壤從月球風馳電掣般向地球飛來，這時速度接近第二宇宙速度，而從近地軌道返回的航天器速度通常約為每秒7.9 千米的第一宇宙速度。這每秒3 千米多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號返回器沖勁過猛，一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想，所以，科研人員決定讓嫦娥五號返回器借助地球大氣層這個天然屏障，利用空氣摩擦產(chǎn)生的阻力實現(xiàn)減速飛行。

特殊的土特殊的用途

“嫦娥五號”帶回來的1731 克月壤如此珍貴，會被放在哪里呢？

位于北京的中國科學院國家天文臺是月球樣品的主要存儲地點，另外，作為容災備份，還有一部分儲存在湖南韶山，告慰毛主席“可上九天攬月”的夙愿。

或許你們會問，這些月球樣品是什么樣的，未來有沒有機會一睹其風采？

當然有！“嫦娥五號”帶回來的月球樣品將用于三類用途：第一類，部分樣品會入藏國家博物館，向公眾展示，進行科普教育;第二類，與世界各國的科學家共享，也可能有一部分按照國際慣例作為國禮相送;第三類，用于科學研究，科研人員會在實驗室對月球樣品進行長期、系統(tǒng)的研究，包括它的構(gòu)造、物理特性、化學成分、同位素組成、礦物特點和地質(zhì)演化等，深化人類對月球起源、演化等方面的認識，這是主要的用途。

首次在月球表面自動采樣與封裝，首次從月面點火起飛，首次在月球軌道進行無人交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，首次攜帶樣品以接近第二宇宙速度返回地球……“嫦娥五號”任務(wù)創(chuàng)造了多個“中國首次”，中國探月工程“繞、落、回”完美收官。這是結(jié)束，也是新的開始。

星辰征途永無止境，逐夢之行永不停歇。未來，中國還將繼續(xù)開展月球探測，不斷刷新探索宇宙的新高度。