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着陆画面!第一视角看嫦娥五号落月全程

责任编辑:于文凯 来源:观察者网      2020-12-02 06:59:40

据国家航天局网站消息,12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区,并传回着陆影像图。

12月1日22时57分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降,7500牛变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球速度从约1.7公里/秒降为零。期间,探测器进行快速姿态调整,逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测,选定着陆点后,开始避障下降和缓速垂直下降,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。着陆过程中,着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。

成功着陆后,着陆器在地面控制下,进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作,将正式开始持续约2天的月面工作,采集月球样品。

嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像。供图:国家航天局

延伸阅读:

为什么要选吕姆克山附近作为着陆地点?

12月1日22时57分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降,7500牛变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球速度从 约1.7 公里/秒降为零。期间,探测器进行快速姿态调整,逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测,选定着陆点后,开始避障下降和缓速垂直下降,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

嫦娥五号着陆地点(红圈处):吕姆克山脉 中新社资料图

“嫦娥五号”之所以选择在月球上最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉附近降落并实施采样,是因为科学家认为,这一区域比起之前美国和前苏联落月采样的区域,从地质上来说,可能存在比较年轻的玄武岩,如果能获得这里新的样本,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

据中新网报道,此前,美国阿波罗计划从月球累计带回380多千克月球样品,苏联依靠无人飞行器分3次共获得了300余克月壤;但美国、苏联等国家的航天器均未到访过吕姆克山脉附近。

中国科学院院士、中国探月工程首任首席科学家欧阳自远曾表示,中国选择的着陆点距离阿波罗计划着陆点有上千公里距离,将会迎来新的现象、新的发现。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩告诉中新社记者,月球正面风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素,存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。它可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。

嫦娥五号探测器软着陆后降落相机拍摄的图像 供图:国家航天局网站

“据月球科学家介绍,此前对美、苏获取月壤样品的研究表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩,这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动,将改写月球的历史。”庞之浩说。

嫦娥五号太空中两次“刹车”

嫦娥五号经历了两次太空“刹车”。

自从2020年11月24日发射以来,嫦娥五号经过112小时的飞行,11月28日才来到月球附近。

嫦娥五号到了月球附近后,点燃3000牛顿推力的火箭发动机反推“刹车”,经过17分钟的刹车减速,速度降低到能被月球引力捕获的程度,成功进入周期为8小时的环月轨道。但此时的环月轨道并不是最终的轨道,只是一道临时的椭圆轨道,嫦娥五号还要进行一次近月点刹车,才能把椭圆轨道变成圆轨道。

2020年11月29日20时23分,嫦娥五号探测器在近月点再次“刹车”,从椭圆环月轨道,进入变为近的圆形环月轨道,轨道高度距离月面约200千米。

嫦娥五号太空“刹车”  供图:微信公众号“中国探月工程”

据央视新闻介绍,近月制动是嫦娥五号探测器飞行过程中关键的轨道控制之一。只有顺利完成这一步,探测器才能进入月球轨道绕月飞行,并实现后续的着陆和采样。

简单地说,地月转移轨道就像一条从地球通往月球的高速路,而火箭与探测器的分离点,就是这条高速路的入口。经过一段时间飞行,嫦娥五号探测器在即将到达月球的时候就要从出口驶离高速,就需要它将速度降下来,这样才能够到达环月轨道。

航天科技集团八院 嫦娥五号探测器副总指挥 张玉花:靠近月球的时候,要减速被月球引力捕获,然后在靠近月球轨道的近地点的时候,我们要点火,然后形成环月轨道,这个就是近月制动的功能了。对它如果不踩刹车的话,它就从月球边上飞过去了。

张玉花介绍,近月制动的这一脚刹车,在嫦娥一号任务时候就已经掌握,但不同的是,这一次的近月制动对于精度要求更高。

张玉花:因为我们离开地球奔月的时候可能是十点几公里的速度,然后绕月的时候可能就是三点几公里的速度,我们的3000牛发动机要比较长时间的点火,在靠近近月点的前一段到后面那一段要点十几分钟。

通过近月制动,嫦娥五号探测器成功到达月球轨道之后,才能够继续开展后续月球采样的相关准备工作。所以,近月制动也是后续工作展开的重要基础。

11月30日04时40分左右,嫦娥五号的“着陆器和上升器组合体”与“轨道器和返回器组合体”成功分离。

12月1日23点左右,“着陆器和上升器组合体”开始在反推发动机的托举下徐徐落向月面,“轨道器和返回器组合体”则继续沿着原来的轨道绕月飞行。

嫦娥五号的“着陆器和上升器组合体”与“轨道器和返回器组合体”成功分离 供图:微信公众号“中国探月工程”

为何只拟获取2公斤样品带回地球?

我国通过嫦娥一号到嫦娥四号多次任务的技术积累,希望在嫦娥五号月球采样任务中能够达到公斤级的目标。而为了保证任务的成功,并结合火箭运载能力,采样2公斤是一个较为合理的结果。

国家航天局探月与航天工程中心副主任 探月工程三期副总设计师 裴照宇:我们以两公斤作为输入去设计探测器,这个探测器就达到了8.2吨。如果我们要增加样品的量,整个探测器很多指标都会增长,就会超过火箭的运载能力。

为了提高采样的可靠性,增加样品的多样性,嫦娥五号任务将通过钻取和表取两种方式采集样品。

国家航天局探月与航天工程中心副主任 探月工程三期副总设计师 裴照宇:比如说钻取,初步考虑是0.5公斤,表取是1.5公斤,这是我们的设计安排。

裴照宇表示,嫦娥五号任务的主要目标是完成月球采样并返回。当着陆器成功着陆月球表面后,要在有限时间里完成地形勘察、钻取和表取等多项工作。尽管设定了2公斤的采样量,但这并不能作为最终衡量任务成败的标准。

嫦娥五号咋“挖土”?

嫦娥五号任务是中国目前技术难度最大、系统组成最复杂的航天任务之一。成功着陆在月球后,嫦娥五号探测器将开展为期约2天的月面工作,“使出浑身解数”采集约2千克月球样本,实现中国首次地外天体采样。

科研人员为嫦娥五号精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。探测器随身携带了钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”,将采取深钻、浅钻,以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约2千克“月壤”,并进行密封封装。

“我们的目标是两公斤,经过论证,两公斤是数量上不算少,工程上可实现。”中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇说,“但是作为对这次任务的考核,我们的目标是采样返回,采到样品、返回地球,就是成功。不管带多少,都是成功。”

根据日、地、月的运动关系,以及工程各种约束条件,嫦娥五号任务的总周期是22至23天,各环节环环相扣。此次任务将创造五个“中国第一”。

“一是地外天体的采样与封装,二是地外天体的起飞,三是月球轨道交会对接,四是携带样品高速地球再入,五是月球样品的分析和研究,这在我国都是首次。”裴照宇说。

嫦娥五号如何返回?

完成月壤采样封装后,嫦娥五号将踏上回家之路。把月球“特产”带回地球,这可不是一件简单的事。

迈好第一步至关重要,这涉及到突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。

这是一个高难度科目。以往都是地面固定发射,有一套完备的发射塔架系统,点火起飞位置、飞行轨道都经过精确测算。在环境复杂的月面,以着陆器为平台发射上升器,没有平坦规整的起飞地,没有成熟完备的发射塔架,更没有地面人员测调确认,怎么导流、怎么散热、如何控制,都是新课题。

“着陆器不一定是四平八稳的状态,很可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形上,这给起飞带来难度。此外,还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。”五院技术专家说,航天器必须“自力更生”,研制团队进行了大量试验验证,建立起一套环环相扣的系统保证任务,实现起飞时自主定位、定姿。

嫦娥五号任务流程图 图自微博网友@太空精酿

着陆器托举着上升器完成月面起飞上升,但仅仅依靠上升器是不可能返回地球的。它需要飞到月球轨道上,与轨道器和返回器组成的“返地战队”(轨返组合体)交会对接,像传接力棒一样,把月壤转移到返回器。

经过几十年的实践探索,我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术,但是在月球轨道上进行无人交会对接,不仅是我国首次,在人类航天史上也前所未有。

“绕、落、回”三步走迎来收官,嫦娥系列还将实施第二次采样返回

“探、登、驻”,“绕、落、回”——这是中国探月工程的关键六字。

2004年1月,我国月球探测工程全面启动,分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地(短期驻扎)”三个阶段;而“无人月球探测”又分为“绕、落、回”三步走,即实现环绕月球探测,实现月面软着陆和自动巡视勘察,实现无人采样返回。嫦娥五号发射,标志着中国探月工程“绕、落、回”三步的最后一步即将完成,“探、登、驻”三大步第一阶段开始收官。

在嫦娥五号任务中,最终携带样品返回地球事关任务成败。我国此前尚没有地球轨道以外的航天器完成过再入大气层的返回、着陆与回收经历。2014年11月1日,为嫦娥五号探路的再入返回试验器“嫦娥5T”按既定方案平安着陆,为嫦娥五号再入返回积累了宝贵经验。

2014年10月发射的嫦娥五号T1试验器拍摄的地球和月球合影 供图:国家航天局

探月工程,是我国继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功后,我国航天事业发展的又一里程碑,开启中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代。从嫦娥一号拍摄的全月球影像图,到嫦娥二号首次实现我国对小行星的飞跃探测,再到嫦娥三号成功实现落月梦想、嫦娥四号实现人类探测器首次月背软着陆揭开月球背面神秘面纱……

后续,中国探索月球的步伐依旧稳健:嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号等探测器还将实施第二次采样返回、月球极区资源详查以及一些关键技术的月面试验和技术利用。

十六春秋绕落回,九天揽月梦成真。“嫦娥五号是我国无人月球探测的收官之战。我们已经进行了绕月探测、落月探测,这次要取样返回。以后,我们还要建月球基地,载人登月也在筹备当中。”对于嫦娥五号奔月,欧阳自远满怀期待:“我们还要探测太阳系的其他行星,向星辰大海挺进。未来,中国航天的前景十分宏伟,希望它一步步完成艰巨的任务。”

本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。

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