“四器”组合的嫦娥五号采样返回器
2018年05月21日 11:07
来源:网易军事

(原标题:“四器”组合的嫦娥五号采样返回器)

我国探月三期的主任务是发射嫦娥五号采样返回器,从月球取回2千克月样品到地球实验室供科学家进行精查。其目标是实现我国首次月面自动采样返回,对返回样品进行系统分析与研究,深化对月球和地月系统的起源与演化的认识。

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

嫦娥五号采样返回器释放携带月球样品的返回舱返回地球示意图

其工程目标是:突破月表自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、地球大气高速再入、月球样品储存等关键技术,提升航天技术水平;研制并发射月球探测器,实现我国首次月面自动采样返回,实现航天技术的重大跨越;实现月球轨道交会对接技术;完善探月工程体系,为载人登月和深空探测奠定基础。

其科学目标是:进行着陆区的探测与研究;采集月球样品并返回地面,对返回样品进行系统的岩石学、矿物学同位素地质和地球化学的分析于研究,结合月面物质成分的分析数据,深化对月球和地月系统的起源与演化的认识。

我国月球采样返回计划通过发射嫦娥五号和六号来实现的,其中嫦娥五号采样返回器定于2019年用长征五号发射,嫦娥六号是嫦娥五号的备份。

嫦娥五号返回舱携带月球样品返回地球时,将以接近11.2千米/秒返回再入大气层。这项技术十分复杂,无法通过地面模拟得到充分验证,所以是未来嫦娥五号月面采样、月面上升、月球轨道交会对接、再入返回四大关键技术中最难的一项,风险很大。

为此,我国在2014年10月24日先发射了1个名叫嫦娥五号试验器的航天器来探路,验证高速返回技术。它先飞抵月球附近,接着,自动返回地球,最后试验器的返回舱于2014年11月1日采用半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层,最终通过伞降形式在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球。它的成功表明,我国已全面突破和掌握了航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

采用半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层示意图

采用跳跃式返回方式增加了在大气层的“一出一入”,这类似达水漂,目的是延长试验器在大气层飞行的轨迹,消耗掉返回器的部分能量,从而减小着陆速度,以便选择降落区。苏联和美国探月时也曾利用过类似原理着陆,但其航程没我国的长,而着陆场比我国的大。

这项任务需要攻克气动力、气动热、防热、半弹道式制导导航与控制系统等关键技术。研究表明,再入的速度提高1倍,再入热量就将提高8~9倍,以第二宇宙速度再入大气层时摩擦会产生巨大的热能,所以必须做好返回器的热防护设计。

嫦娥五号试验器由服务舱和返回器组成,重2吨多。其服务舱以嫦娥二号平台为基础进行适应性改进设计,具备留轨开展科研试验功能;返回器为新研产品,外形类似“神舟”飞船返回舱,但小一些,重量约330千克,具备返回着陆功能,与探月三期任务中使用的返回器基本一致。 

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

由服务舱(下)和返回器组成的嫦娥五号试验器

该试验器采用绕月自由返回轨道,在经过发射段、地月转移段、月球近旁转向段、月地转移段、返回再入段和回收着陆段6个阶段后在内蒙着陆。返回再入走廊非常窄,返回器再入角只有正负0.2°。如果再入角过小,试验器就不能返回地球; 如果再入角过大,不能实现第一次的弹出,会越过了既定的防护设计。

这次任务的完成实现了四大技术突破:①高速的气动力、气动热技术;②高热量、大热流的热防护技术;③高精度、高动态的制导导航控制技术;④长距离、大范围的再入回收测控技术。

定于2019年发射的嫦娥五号采样返回器是我国探月工程三期的主任务,由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成。它不仅要完成落月,还要攻克“采样”、“封装”、“上升”、“对接”、“高速返回地球”等技术难题。

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

嫦娥五号采样返回器的结构

在执行任务中,嫦娥五号的“四器”被送到月球轨道后将两两分离,轨道器-返回器组合体留在月球轨道,着陆器-上升器组合体落到月面上;着陆后,着陆器用两个机械手进行月面采样和钻孔取样,并将样品放入上升器携带的容器里进行封装;随后,上升器从月面起飞,在月球轨道与轨道器-返回器组合体交会对接,把样品转移到返回器后分离;接着,轨道器-返回器组合体踏上返回地球的归途,在以接近第二宇宙速度飞到距地球几千千米时两者分离;最后,返回器在地球着陆。

嫦娥五号将实现多个首次:首次在月球表面上自动采样;首次从月面起飞;首次在月球轨道上实现无人对接;首次携带月球样本飞回地球;首次以接近第二宇宙速度在地面着陆。

值得注意的是,它在月面取样后要封装,要求不能有任何污染;上升器在月面上起飞是我国航天器第一次在地外天体升空;它在月球轨道与轨道器-返回器组合体的交会对接与“神舟”飞船与天宫交会对接不同,难度大、精度高;最后,嫦娥五号要以接近第二宇宙速度的速度,返回到地球上的中国可控范围。

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

嫦娥五号落月后展开机械臂示意图

我国探月三期任务完成后,还将对月球两极进行落月、巡视、采样返回探测,我国正在规划探月四期工程,拟在月球建立一个基地,一开始是通过智能机器人来控制的基地,在我国进行载人登月以后,人也可以再上去进行短期的照料。

“四器”组合的嫦娥五号采样返回器

上升器离开着陆器

另外,我国将在2020年发射首个火星探测器。它由轨道器、着陆器和火星车组成,拟通过一次发射实现“环绕探测、着陆探测、巡视探测”三个目标,这在世界火星探测史上是从所未有的,具有很大的挑战性。

我国火星轨道器将工作一个火星年。火星车寿命为地球的92天。它们共载13台科学载荷:不同分辨率的相机,探测火星浅层结构的浅层雷达等,探测火星的形貌、土壤、环境、大气,研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。

综合考虑多种因素,我国火星着陆区在火星北纬5°~39°。从光照考虑,落在火星赤道附近好,但那里地形复杂。另外,由于在火星登陆,99%以上减速是靠火星大气,因此着陆点海拔越低减速时间越长,着陆越安全。

此后,我国将进行火星采样返回探测,探测小行星等。 

(杭添仁)

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