一文看懂我国探月工程“三步走”
2020-12-17 18:10

一文看懂我国探月工程“三步走”

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:田晓娜,原标题:《嫦娥五号安全到家,一文看懂我国探月工程“三步走”》,题图来自:新华社


今日凌晨1时59分,大部分人都已经进入梦乡,而在内蒙古四子王旗着陆场,已经离家23天的嫦娥五号,带着月球“土特产”,悄悄着陆。


2020年11月24日凌晨4时30分,长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,将嫦娥五号探测器运送至地月转移轨道。


嫦娥五号的发射,标志着我国月球探测第一阶段已进入收官之战。而今晨的顺利着陆,宣告我国首次月球采样返回任务圆满完成。



100秒回顾嫦娥五号探月任务,来源:人民网微博


嫦娥五号由轨道器、返回器、着陆器和上升器四大部分组成,重达8.2吨,可以说是我国探月史上最复杂、重量最大的探测器。



当嫦娥五号进入月球轨道后,着陆器与上升器与航天器分离,落在月球上,轨道求和返回器则继续在月球轨道上飞行,等待后续任务。


四大部分各司其职:


  • 着陆器负责月面着陆,以及在月球上的采样封装;


  • 上升器负责从月球上起飞,与轨道器对接,将样品交接给返回器;


  • 轨道器负责绕月环行,等待着陆器与上升器完成它们的使命后,将携带样品的返回器送回地球;


  • 返回器接过这场接力赛的最后一棒,带着样品回家。



作为中国探月工程的收官之战,嫦娥五号被寄予厚望,要实现中国航天史上五个第一次:


第一次打包:在月球表面全自动挖2千克土打包带回地球,使我国将成为继美国、苏联之后第三个带回月壤的国家。



第一次从地外天体起飞:采集土壤后,上升器要从月面起飞,与轨道上的航天器会和。


在地球上发射火箭有发射架,有科研人员精心计算好的时间角度,但月球上什么也没有,航天器只能从临时变身发射架的着陆器上起飞,还得自力更生,自己找好角度方位,保证能顺利飞向月球轨道。



第一次月轨“亲吻”:上升器与轨道器和返回器组合体在月球轨道上成功无人自动交会对接,转移样品。



第一次回家:从月球采样并以接近每秒11公里的第二宇宙速度返回地球。


嫦娥五号模拟图


第一次亲密接触:我国第一次对自己采集的月壤样品的存储、分析和研究。


但是,每一个第一次背后,都隐藏着无数技术难题:


采样的机械臂在月球的特殊环境下能否顺利完成工作?


如何密封保存样品才能使其不受污染?


如何保证38万公里外月球轨道上的顺利对接?


返回器地球着陆时怎么保证不过因为温度过高导致再入失败?


探测器之间怎样实现即时通信?


……


很多问题,没有先例,没有答案,也没有办法参考国外的经验,我们的科学家只能摸着石头过河,一点点克服这些技术问题,最终交出了嫦娥五号这份也许不算完美,但仍然称得上优秀的最终答卷。


我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”


就比如这次嫦娥五号回家时,是以11.2km/s的第二宇宙速度从38万公里外的月球飞回来。


物体与空气或其他气体作高速相对运动时所产生的摩擦力会转化为热力,所以我们看电影时从天而降的陨石往往是一个大火球。


如果不采取有效措施,嫦娥五号的返回舱等不到落地就烧成了灰。为此,我国使用了半弹道跳跃式再入大气层的方法。


这个技术简单来说,就像在太空中打水漂一样,返回舱先以较高的第二宇宙速度进入大气层,然后再借助大气层提供的升力跳起来,跳到大气层外。


然后再以较低的7.9 km/s的第一宇宙速度重新进入大气层,最终落地。



被称为未来海陆空杀手锏的高超音速飞行器也借鉴了类似的技术。


我国2018年首次试验的“星空2号”高超音速飞行器,因为飞行航道较低,速度特别快,较难被防御卫星和雷达检测到。


在航天人的不懈努力下,我们一一克服了所有难题,才有了近日嫦娥五号返回舱的顺利回归。


曾经,我们利用美国送给我们的0.5克月岩样品,做了很多研究,发表了40多篇论文。如今,嫦娥五号的回归,为我们带回了属于中国自己的2千克月壤。


这不仅是我国航天史上的里程碑,也为科学界的研究打开了一扇新的大门,为我们研究月球演化和行星起源提供了关键和宝贵的资料,也为探月工程的第二、三阶段打下了良好的基础。


我们之所以这么努力要去月球,是因为迈向星辰大海的第一站,就是月球。


从古至今人类都幻想着如何飞向月亮。在工业革命的推动,20世纪美苏冷战的大背景下,美国和苏联两个超级大国展开了一场轰轰烈烈的“登月竞赛”


1959年9月,苏联发射的无人月球探测器月球2号,成为世界上第一个在月球表面硬着陆的航天器;


1967年1月,美国发射阿波罗1号,但因为意外起火使三名宇航员遇难;


1968年10月,美国发射的阿波罗8号完成了首次环月飞行;


1969年2月,苏联发射的首辆月球车在起飞52秒后爆炸;


1969年7月20日,美国发射阿波罗11号,宇航员尼尔·奥尔登·阿姆斯特朗成为第一个登上月球的人


……


在美苏两国冷战结束后,因为航空花费的高昂费用,探月活动逐渐降温。


但20世纪90年代后,随着科技的发展和国力的强大,许多国家又把目光投向了月球。


美国、俄罗斯等国家都制定了探月计划,我们也制定了探月计划,2004年正式开始实施月球探测“嫦娥工程”,用中国古代神话传说中的月中神女嫦娥为其命名,宣告向月球进发。


整个探月工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。其中第一阶段“无人月球探测”又分为“绕”“落”“回”三步走,预计将在2020年前后完成。



三步走计划出炉后,我国就紧锣密鼓地开始了准备工作,一步步向“无人月球探测”的目标逼近。


2007年10月24日18点03分,西昌卫星发射中心发射了我国第一颗绕月人造卫星嫦娥一号,正式迈出了我国探月的第一步。


在之后一年的在轨运行中,嫦娥一号为我国科学家了解月球提供了许多珍贵资料,共传回1.37TB有效科学探测数据。


从这些影像资料中,我们获得了全月球影像图,构建了月球的三维立体模型图。


嫦娥一号传回的第一幅月面图像,图源:国防科工委网站


之后我国又发射了第二颗绕人造月卫星,嫦娥二号。


最初,嫦娥二号是作为嫦娥一号的备份卫星发射,但随着嫦娥一号的探测任务圆满完成,嫦娥二号又转变为嫦娥三号的先导卫星。


除了绕月任务之外,嫦娥二号还肩负了一些特殊任务:获取更高分辨率的月球表面三维影像和元素分布图,探测地月与近月空间环境,为日后嫦娥三号的月球软着陆做好准备。


嫦娥三号的预选着陆区虹湾地区的高分辨率图像,就是由嫦娥二号负责拍摄探测的。


嫦娥二号拍摄的7米分辨率全月正射投影图


在“绕”由嫦娥一号、二号完美完成后,2013年12月2日,为“落”而生的嫦娥三号由长征三号乙运载火箭送入太空,肩负着“测月、巡天、观地”的重任。


在万众瞩目之下,经过2天的飞行,背负全国希望的嫦娥三号于14日成功在月球实现软着陆,成为我国首个实现地外天体软着陆的探测器,它的成功也是我国航天发展史上的里程碑事件。


着陆后,嫦娥三号上的着陆器和玉兔号巡视器分离,然后,它们两个就开始了激情互拍。能移动的玉兔号还围绕着陆器行驶一周,从ABCED五个方位与着陆器互拍,留影为念。


着陆器和玉兔号在五个方位上的互拍照,图源:中科院之声


拍完照片后,玉兔号挥别着陆器,独自开始了它的科学探测之旅。


着陆器拍摄的玉兔号离去背影


虽然月兔号个头不大,走得也很慢,为了省电和对抗低温,还得严格遵守“日出而作,日落而息”的良好作息标准,但它能做的事情可不少:


利用测月雷达对月球土壤的化学成分、结构进行分析,发现着陆区表面下至少分为9层结构,证明发生过多次地质活动;


在没有大气干扰的情况下观测星系、恒星活动,观测到23颗星象;


拍摄了大量影像资料,为研究月球的地质地貌提供了一手资料;


……


不幸的是,在短短的41天探月之旅后,2014年1月25日,玉兔号发生了机构控制故障,虽然探测功能正常,却无法移动。



对于故障原因,有科学家猜测是因为月尘比地球上的沙子细小,部分月尘进入月球车内部造成短路,导致玉兔的移动系统发生故障。


也有科学家猜测,是玉兔号的设计出了问题,设计结构过于复杂,导致出问题的几率增大。


无论如何,无法移动的玉兔号永远停留在N209点处。


虽然地球方面多次尝试唤醒玉兔号,但都没有成效。在苦苦坚持了两年后,2016年7月31日,玉兔号彻底停止工作。


玉兔号的最后一条微博


玉兔号停止工作后不久,月球就迎来了玉兔号的接任者——玉兔二号。


2018年12月8日凌晨,搭载着玉兔二号的嫦娥四号探测器由长征三号乙运载火箭搭载升空,在中国西昌卫星发射中心发射。


经过26个日夜的飞行,在太空中过了个阳历年的嫦娥四号,在2019年1月3日在月背着陆,成为世界上第一个在月球背面着陆的探测器。


之所以要去月背着陆,是因为在地球上我们永远看不到月球的背面,人类也从未踏足过月背,那里古老而神秘,对我们而言始终是一个谜。


并且那里没有地球大气层的影响,也没有来自地球的电磁波干扰,是开展天文观测和研究的理想之地。


嫦娥四号探测器拍摄的第一张月背图像


着陆后,玉兔二号与着陆器分离,开始了它的月背探秘之旅。


相比前辈玉兔号,玉兔二号上配置的科学载荷更加齐全,包括全景相机、测月雷达、红外光谱仪、中性原子探测仪,用于月球地质探测、宇宙天文科学等领域的科学研究。


月背上第一道脚印


我国科研人员根据玉兔二号的探测数据进行研究分析后,得出三个重大发现:


  • 月球南极艾特肯盆地冯·卡门撞击坑下方存在着2100万亿吨的重金属元素;


  • 着陆区爆发过多次岩浆,说明月球也曾像现在的地球一样存在着活跃的内部活动,后来不知因何原因停止了;


  • 在陨石坑中发现胶状物,疑似是由高速流星撞击月壤产生出的瞬间高温融化所致。


除了月球车,嫦娥四号上还搭载一项由重庆大学牵头研制的科普载荷——“月面微型生态圈”,搭载了棉花、油菜、土豆、拟南芥、酵母和果蝇六种生物。


2019年1月15日,第一棵来自地球的植物在月球上发芽了,我们成为了第一个在月球种棉花种土豆的民族。


第一棵来自地球的植物在月球上发芽


嫦娥四号的圆满成功,标志着我们的探月工程进入了三步走的最后一步,“回”。


2020年11月24日凌晨4时30分,长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,运送嫦娥五号探测器至地月转移轨道。



嫦娥五号的发射,是我国月球探测第一阶段的“收官之战”,它的成功标志着我国成为了继美国、苏联之后第三个从月球运送样本返回地球的国家。


中国探月工程的三步走的目标,逐步的都实现了,然而这并不是终点,而是一个全新的开始。


下一步,我们要将宇航员送到月球上去,还要在月球上建设基地。


未来,我们还可以开采月球资源,在月球建造火箭,从月球出发,去往更广阔的星辰大海!


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:田晓娜

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