嫦娥五號采樣返回為什么采取“接力”方式？

文/張鐵鈞

到2021 年12 月，圓滿完成我國月球探測工程“繞、落、回”三步走任務(wù)第三步的嫦娥五號采樣返回任務(wù)，已成功實(shí)施一周年。

嫦娥五號探測器由軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，這個(gè)“團(tuán)隊(duì)”就像接力隊(duì)一樣，通過“接力”方式，把月球樣品送回地球。

那么，為什么不只派一個(gè)成員，獨(dú)自完成月球采樣任務(wù)呢？

▲ 嫦娥五號探測器示意圖

▲ 著上組合體著陸月面示意圖

這是因?yàn)椴蓸臃祷厝蝿?wù)工況復(fù)雜，無法由一個(gè)成員完成，團(tuán)隊(duì)成員分工明確，各有各的任務(wù)：軌道器負(fù)責(zé)“飛得到”，即與運(yùn)載火箭分離后，負(fù)責(zé)把著陸器、上升器和返回器送到月球軌道，完成采樣任務(wù)后，再把返回器送回地球附近；著陸器負(fù)責(zé)“下得去”，即到達(dá)月球軌道并與軌道器-返回器組合體（簡稱“軌返組合體”）分離后，負(fù)責(zé)帶著上升器，在月面軟著陸，并與上升器一起，完成月面采樣；上升器負(fù)責(zé)“上得來”，即完成采樣任務(wù)后，帶著月球樣品從月面起飛，與在月球軌道飛行的軌返組合體交會對接，并把月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)；返回器負(fù)責(zé)“落得下”，即當(dāng)軌返組合體回到地球附近后，與軌道器分離，再入大氣層，把月球樣品送回地球。

▲ 上升器飛離月面示意圖

▲ 上升器與軌返組合體在月球軌道上交會對接示意圖

首先，軌道器的作用相當(dāng)于太空擺渡車，起著在地月之間往返運(yùn)輸?shù)淖饔?。由于地月之間路途遙遠(yuǎn)，在飛行過程中需要多次變軌，到達(dá)月球附近時(shí)，還要進(jìn)行制動減速，以便被月球捕獲；在“拿”到月球樣品后，又要通過加速擺脫月球引力，才能飛回地球。這些工作需要軌道器的發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)來完成。而返回器沒有發(fā)動機(jī)，不依靠軌道器進(jìn)行擺渡，無法完成地月往返任務(wù)。

其次，由于月球沒有大氣層，從月球軌道著陸月面，只能通過發(fā)動機(jī)反推，產(chǎn)生制動力，降低著陸器的速度，才能實(shí)現(xiàn)軟著陸。返回器沒有發(fā)動機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)軟著陸；軌道器雖然有發(fā)動機(jī)，但是由于軌返組合體質(zhì)量很大，約4.5 噸，著陸月面和從月面起飛，都需要消耗很多推進(jìn)劑，而且軌道器還承擔(dān)著把返回器送回地球的任務(wù)。所以，到達(dá)月球軌道后，軌返組合體進(jìn)行不消耗推進(jìn)劑的環(huán)月飛行，而由著陸器和上升器（簡稱“著上組合體”）著陸月面，完成采樣任務(wù)。

第三，完成采樣任務(wù)后，需要從月面起飛，而著陸器的重量近3 噸，從月面起飛需要消耗大量推進(jìn)劑。為了減少推進(jìn)劑消耗，需要把著陸器留在月面，充當(dāng)上升器的起飛平臺，而由重約0.8 噸的上升器從月面起飛，并通過與留在月球軌道的軌返組合體交會對接，把月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。

最后，要想把月球樣品送回地球，必須再入大氣層。由于返回器飛行速度非常高，與大氣層摩擦?xí)a(chǎn)生很多熱量，如果不在外形設(shè)計(jì)和材料選取方面采取防熱措施，返回器會在再入過程中燒毀。只有進(jìn)行防熱設(shè)計(jì)的返回器，才能安全再入大氣層，同時(shí)由于其質(zhì)量較?。s0.3 噸），因此可以通過降落傘減速后，平穩(wěn)著陸地面。而沒有進(jìn)行防熱設(shè)計(jì)的軌道器、上升器均不具備再入大氣層的條件。

嫦娥五號月球采樣團(tuán)隊(duì)經(jīng)過23 天的運(yùn)行，只有返回器帶著月球樣品返回了地面；完成任務(wù)的著陸器留在了月球表面；上升器移交完月球樣品，與軌返組合體分離后，按照地面指令受控離軌，降落在月面預(yù)定落點(diǎn)；而軌道器在完成地月往返運(yùn)輸任務(wù)后，又被賦予了新的使命，先去探測了日地拉格朗日L1 點(diǎn)，再從日地拉格朗日L1 點(diǎn)返回了月球，截至月球采樣一周年時(shí)，仍在月球軌道上運(yùn)行。

▲ 返回器帶著月球樣品返回地面