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嫦娥五号自述如何月球取土

时间:2020-12-02 09:54:04 来源:微闻网 作者:肖肖

根据新闻最新报道,12月1日23时11分嫦娥五号成功落月,落月后嫦娥五号自述如何月球取土,从发射以来嫦娥五号的一举一动都受到全世界的关注,嫦娥五号落月后会立即开展持续两天的月面工作,然后采集2千克左右的月球样品回到地球,那么就有人提问了,嫦娥五号如何返回地球呢?接下来,大家和微闻网小编一起去了解一下嫦娥五号自述如何月球取土~

嫦娥五号自述如何月球取土

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度附近的预选区域,并传回着陆影像图,成为我国第三个成功实施月面软着陆的探测器。

据悉,12月1日22时57分,嫦娥五号探测器的着陆器+上升期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的纵向速度从1.7公里/秒降为零,期间探测器进行姿态调整,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

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。

接下来,着陆器将开始持续约2天的月面工作,采集2千克左右的月球样品。

完成采样任务后,上升器将搭载样品在月球表面点火起飞,返回轨道,然后与轨道器+返回器组合体结合,返回地球。

嫦娥五号落月点仍属月球探测“处女地”

此次嫦娥五号的月球着陆区域名叫“风暴洋”,周围有1300米高的火山群,环境之险峻名副其实,让嫦娥五号此行更加充满探险的意味。随着嫦娥五号的造访,月球风暴洋举世闻名。

科学家们认为,着陆在此是十分明智的选择。从地球上看起来,这里更像是广阔、黑暗的熔岩平原。

过去,这里还从未有过任何人类探测器到访过的足迹。

为何选择在这里?虽然这里和嫦娥三号在月球虹湾着陆点的纬度基本相当,但根据目前研究成果,这块区域形成的地质年代较短,约37亿年。中科院国家天文台专家表示,此次嫦娥五号有望获取最年轻的月球返回样品,在月球火山活动和演化历史研究等方面取得原创性的科学成果。

由于涉及采样后上升器的月面起飞,嫦娥五号落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程。专家介绍,相较于嫦娥三号、四号,嫦娥五号需要着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑,并且坡度要符合任务要求,这对着陆点的位置精度和平整度方面提出了更高要求。

后续,嫦娥五号将同时用“表取和钻取”两种方式采样。“表取”,顾名思义就是从月球表面通过机械臂和机械爪的配合,抓取一部分月壤。而“钻取”则是要通过特殊的钻头,钻到月表以下两米左右的位置,把月壤整体取出来。

“这样能够更加原汁原味地保留月表以下两米的月壤构造情况,让科学家们能够更加清楚地了解到月壤的构造和分布以及每一层的特征。”中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器钻取子系统技术负责人王国欣说。

嫦娥五号是如何做到完美落月的

1、GNC高精度关键技术

嫦娥五号任务的落月和近月制动一样,都是只有一次机会,必须一次成功。

由于涉及采样后上升器的月面起飞,所以,嫦娥五号落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程。相较于嫦娥三号、四号,嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度方面的高要求是空前的,需要一个着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑,坡度要符合任务要求。

可以说,落月的过程就是边飞行边找寻落点,在15分钟内完成,约600公里外的全程自主跳伞。

为了实现“选址正确,落点准确”,嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上应用的“粗精接力避障”的方式,即制导导航与控制(GNC)系统,在该系统的指挥下,着陆器和上升器组合体先是大推力反向制动快速减速,然后快速调整姿态并对预定落区地形进行拍照识别,避开大的障碍,实现“粗避障”,然后组合体在飞到距离月面100米时悬停,并再次对选定区域进行精确拍照,实现“精避障”,之后再斜向下飘向选定的着陆点,在移动到着陆点正上方之后开始竖直下降,到距离月面较近时关闭发动机,然后利用着陆腿的缓冲实现软着陆。

2、着陆缓冲机构显身手

落月的关键在于平稳。嫦娥五号着陆上升组合体在落月时,撞击月面会形成较大的冲击载荷,必须设计相应的着陆缓冲系统,吸收着陆的冲击载荷,保证探测器不翻倒、不陷落,这是落月的技术难题之一。着陆缓冲机构,通俗地说就是嫦娥五号的“腿”。

这四条缓冲、支撑一体化的“腿”可不一般,它们来自于机构分系统团队精心设计、巧手研制,更来源于嫦娥三号、嫦娥四号的完美基因。着陆缓冲机构具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案,保证了收拢简单、展开可靠,解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面的问题。

与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比,由于任务难度增加,嫦娥五号任务的着陆缓冲能力要求提高了30%,但机构重量指标却减少了5%。这为总体设计部的团队成员带来了不小的难题。面临减重的难关,研制团队反复迭代,每次修改完设计,讨论时一旦发现新的减重突破口,又毫不犹豫地再次推翻设计、继续修改,最终成功满足了设计指标,确保了嫦娥五号稳定可靠地完成与月球的亲密拥抱。

3、精妙的“外脑”“外眼”

其实在嫦娥五号的落月过程中还有两个精妙的设计:

一是虽然表面上看是着陆器“背着”上升器软着陆到了月面上,但实际上整个落月的过程着陆器GNC系统的工作和智能自主的指挥过程都借助了“外脑”和“外眼”,这个“外脑”和“外眼”分别就是上升器月面起飞时要用的“最强大脑”中央控制计算机和通过“看星星”确定自己姿态的星敏感器,这是设计人员根据“上升器全程陪同着陆器”的实际想出的妙招,既节约了成本又减轻了重量。

二是由于距离月面较近时主发动机会激起的月尘污染星敏感器,从而影响上升器月面起飞,所以科研人员专门设计了盖子,在距离月面一定的高度时把星敏感器的镜头盖起来,称之为“天黑请闭眼”,待落月之后月尘散去再通知星敏感器把盖子打开,这一睁一闭之间,着陆器和上升器组合体已经顺利着陆在月亮之上了。

4、定向天线“一线牵”

落月牵动人心。38万公里外的嫦娥五号正经历着什么样的考验?

所有的讯息,都需通过着陆上升组合体的一口小小的“锅”来实时传送遥测数据。这个“小锅”就是定向天线——把探测器上的数据传输到地面的发射转换装置。

从月球把数据发送回地球,通信的距离相比地面手机通信,远了几万倍,这就需要采取特殊的对地定向天线来发送数据。

定向天线包含了反射面天线辐射器、双轴驱动机构。双轴驱动机构就像人的肩关节、肘关节,驱动反射天线辐射器灵活地转动,确保“小锅”始终对准地面。为了使整器减重,此款反射面天线极致轻量化设计,相比同类天线减重40%以上,既轻便又可靠。

嫦娥五号如何返回地球

嫦娥五号飞到月球后,轨道器和返回器会保留在月球轨道上环绕,着陆器和上升器则分离出去,登录在月球上。等到采样任务结束,上升器会以着陆器为发射平台,点火发射脱离月面。这可是一个高难度科目,因为着陆器所在位置很可能凹凸不平甚至在斜坡上。

下一个突破是月球轨道的交会对接。在远离地球的太空里,上升器和轨道器之间的对接堪称“针尖对针尖”,这样高难度的宇宙空间定位,也完全依赖嫦娥五号自身的人工智能系统。

上升器成功对接返回器后,还要逃脱月球的引力,这就首先要达到月球的第一宇宙速度1.68千米/秒。而要脱离月球引力飞向地球,则需要达到月球的逃逸速度2.4千米/秒。

返回器进入大气层姿势就像“打水漂”

嫦娥五号返回器返回地球的最后一步,也是难度技术很高的一个环节。因为返回器从38万公里远的月球风驰电掣般飞到地球附近时,速度会逼近第二宇宙速度(11.2千米/秒),这个速度远远高于普通返回式卫星返回地球的第一宇宙速度(7.9千米/秒)级别。

有同学会说,这3公里的速度差,会有很大影响吗?

当然会!以这样的速度直接冲进大气层,巨大的摩擦和冲击足以让返回器快速焚毁。所以,返回器采用了一个很特别的“姿势”回到地球——它将在大气层边缘滑跃,多次减速,就像“打水漂”一样。

但和我们平常靠手感打水漂不同的是,返回器每一次与大气接触都要经过精准计算,最终以安全速度冲入大气,再通过气动减速和降落伞减速等方式,准确、安全降落在预定的着陆场。

为了嫦娥五号返回器的“打水漂”式返回,我国还曾在2014年,用嫦娥五号再入返回飞行试验任务演习了一遍。

那次任务是我国首次采用半弹道式跳跃的返回方式,返回器进入大气层后受控跃起,经过滑行再次进入大气层并飞向落区。但这种方式对控制精度提出了极高要求,返回器如果“跳”得过高会偏离落区,“跳”不起来则可能直接坠入大气被烧毁。然而距地面60—90公里的高层大气变化无穷,受到黑天白夜、太阳风、地磁场等多种因素影响,大气变化误差很大,需要制导导航与控制系统具备很大包容性。

如果此次任务圆满成功,中国将成为世界上第三个从月球采集样本返回地球的国家。但我国的探月任务还远没有结束。从嫦娥一号升空开始,到嫦娥五号探测器发射,我们还处在“无人探月”阶段。探月工程的第二阶段和第三阶段分别是载人登月和建立月球科研站。

那么为什么要去月球“挖土”呢?

有些同学可能会有疑问。采集月球样本,美国和前苏联早在上世纪6、70年代就做过了。从1969年到1976年,6次阿波罗任务和3次月球号任务,总共带回月球表面9个区域共计382公斤的月球岩石和土壤样品。美国总统卡特在1978年访华的时候也曾赠送给中国一份月球的土壤样本。

那么,40多年以后,嫦娥五号再次去月球“挖土”,有什么重大意义呢?

虽然,美国和前苏联带回了为数不少的月壤,然而这些样品对于认识月球依然是很局限的。它们大多来自月球正面中低纬度的月海区域,形成年龄集中在42-32亿年前,相当于月球的“童年”时期。

而在这个范围之外的月球历史事件对应的时间,全部是以这些地区为锚点,参考其他观测结果(主要是撞击坑统计)推测得到的。那么,实际上月球45亿年的历史中,在10-30亿年这个时间段几乎完全是空白。这正是嫦娥五号采集任务的意义所在。

这次,嫦娥五号将降落在月球最大的月海——风暴洋底部附近的一个直径70千米山丘---吕姆克山中,这是位于月球西北角的一片暗灰色平原,月面坐标为北纬40.8°、西经58.1°。

这一片远离阿波罗和月球号采样区的地方,有着丰富的火山活动遗迹,以及和之前的样品不同的岩石类型。因此在这片火山区域,嫦娥五号可能采集到形成于10-20亿年前的样品,这将填补月球地质定年和年代划分上最大的一块空白。

这些样本将帮助科学家了解月球在它“成年”以后的事情,能更好地了解地球上已经存在多细胞生物的时候,月球上发生了什么。了解月球的历史也有助于我们了解地球和太阳系中其他天体的演变。

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