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嫦娥五号拍下的月球高清大片,嫦娥五号奔向月球,中国向载人登月又迈进了一大步

互联网 2021-01-25 05:11:43
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​北京时间今天凌晨 4:30,嫦娥五号月球探测器在海南文昌航天发射场,由中国最强火箭——长征五号遥五运载火箭发射升空。

这是中国探月工程第六次任务,也是中国航天史上最复杂的一次任务,中国将首次在月球上「挖土」并带回地球。

嫦娥五号几乎汇聚了目前中国航天所有最顶级的技术,而这次发射也将是中国载人登月的一次超前预演,为十年后的载人登月进行技术验证。

4 个月前发射的火星探测器「天问一号」已经在太空中飞行了 3 亿公里,嫦娥五号让中国航天再次开启了一个全新的篇章。

中国航天史上最复杂的一次任务

随着嫦娥五号的发射成功,中国的探月工程第一阶段的任务也进入尾声。按照在 2004 年立项的中国探月工程规划,嫦娥工程分为「无人月球探测」、「载人登月」和「建立月球基地」三个阶段。

而无人月球探测又分为「绕、落、回」三步完成,即绕月飞行,着陆勘探,采样返回,其中嫦娥一号到嫦娥四号已经完成了前两步,而嫦娥五号将完成最后的「回」,这也是嫦娥系列迄今为止最复杂、技术难度最高的一次任务。

正因如此,嫦娥五号月球探测器的结构也最为复杂,由 4 个主要部件——轨道器、着陆器、上升器和返回器组成,而此前的四个嫦娥探测器只有 1-3 个主要部件组成。

嫦娥五号将实现中国航天史上的的四个「首次」:

首次在月球表面自动采样;首次从月面起飞;首次在 38 万公里以外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月球土壤以接近第二宇宙速度返回地球。

为什么说嫦娥五号将是中国航天史上最复杂的一次任务?基本就体现在这四个「首次」里了。

图片来自:太空精酿

首次在月球表面自动采样

人类上次在月球上采样带回,还要追溯到 1976 年的苏联月球 24 号,距离现在已经过去了 44 年。

苏联月球 24 号.

让探测器在月球上软着陆,并挖一捧土其实并不算难,嫦娥系列也早已能够做到。真正难的是完好地封装月球土壤。

当嫦娥五号探测器通过打钻和机械臂采集月壤样本之后,将送入上升器中,需要进行第一次封装,防止样本在离开月球的过程中出现损耗和遭到污染。

「阿波罗」飞船载人登月采集样本时,就曾因为样本密封出现了问题,导致月球土壤被污染。

据探月工程副总设计师于登云介绍,由于月球引力只有地球的六分之一,对采样封装技术的要求也将更高,才能保证取回的样本有效,这是此前从未尝试过的。

首次从月面起飞

在过去几次探月任务中,都只需要执行一次发射。而嫦娥五号除了要在地球上升空,还要在月球表面发射,一下就提高了好几个难度等级。

关注过火箭发射的读者应该也知道,在地球上的发射任务需要发射场提供完备的保障体系,除了发射塔架的固定,还有大量工程师实时的维护和调整,以保证发射顺利进行。

然而在月球上,这些保障措施几乎都无法提供,不可控的因素也大大增加,发射平台是否平稳,角度是否准确,地球上的工程师都不能实时监控。

而这一切都需要嫦娥五号自己来完成,因此嫦娥五号采用了更先进的人工智能系统,从着陆点的选取,到对发射地点的经纬度、坡度、高程的调整,都将由嫦娥五号上的感应器收集数据后,再让 AI 大脑自主完成。

首次在 38 万公里以外的月球轨道上进行无人交会对接

按照计划,这次嫦娥五号至少将携带 2kg 重的月球土壤样本返回地球。而苏联过去 3 次月球采样返回任务一共才带回了约 330g 的土壤样本。

为什么嫦娥五号一次就能带回这么多样本?这主要得益于在这次任务中采用的月球轨道无人交会对接技术。

四十多年前,苏联的月球探测器在采样后都是从月球表面直接起飞返回地球,那么上升器自然需要更大的动力,因此必需装载更多的燃料,留给月球土壤样本的空间就会大大压缩。 

不仅如此,为了装更多燃料,上升器的重量也会相应增加,这也加大了地面发射时运载火箭的压力,那么可能连中国最强的运载火箭「胖五」也无法支持。

而月球轨道无人交会对接技术则解决了这个问题,探测器采样后不直接飞回地球,而是由上升器将土壤样本转移到月球轨道上飞行的返回器中,再由返回器带回地球。

这样一来,上升器需要飞行的距离就大大缩短,只需要少量燃料,那就能将更多的空间给土壤样本了。

不过这个过程也将面临两大技术挑战,一是如何让上升器和返回器自主交汇对接,二是在样本转移过程中完成封装。

其实类似的空间自主交汇对接在我国过去的神舟系列已经成熟应用,但都是在地球轨道进行,地面站和人造卫星可提供精准测距、定位、导航服务,可在月球轨道上这些资源则匮乏得多。

而样本的封装同样关键,因为能否完好带回样本就是判断嫦娥五号任务成败的标准。如果没有严密封装,样本可能就会在返回大气层的过程中付之一炬。

因此就像在月面起飞一样,嫦娥五号的人工智能系统将在这些过程中发挥重要作用。

首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

此外在返回器带着样本返回地球时,速度将达到接近 11.2km/s 的第二宇宙速度,比神舟系列飞船返回地球时的第一宇宙速度快得多,如果直接冲入大气层,将产生更大的热量。

那么要保护返回器就要安装更厚的防热盾,这样一来探测器重量又将增加了,能带回的样本也会更少。

因此嫦娥五号采用一种类似「打水漂」的方式进入大气层,先利用大气层的升力弹射出去,减速后再度进入大气层。

其实早在 2014 年,嫦娥 5 号 T1 试验器已经首次试验「打水漂」再入轨道,还拍下了一张拍地月合影的照片。

中国最强火箭「胖五」

另外值得一提的是,这次运载嫦娥五号上天的运载火箭「胖五」。四个月前「胖五」就已经将天问一号送上太空。

之所以叫「胖五」,因为这是中国直径最大的一支火箭,直径芯级达到 5 米,此外还要捆绑 4 枚 3.35 米助推器,是个体重 869 吨的「大胖子」。

 正是因为太胖了,「胖五」不能再像过去的火箭一样通过铁路运输,因为这已经超过铁路桥洞的直径,只能改由两艘运输船从海路抵达发射场。

「胖五」提升的不只是尺寸, 8 台液氧煤油发动机和 4 台氢氧发动机,赋予了它国产火箭最猛的动力,起飞时的推力可以达到 1000 多吨。

YF-100K 发动机.

此外液氧和液氢两种推进剂分别要零储存在零下 183 ℃ 和零下 253 ℃条件下储存,这枚火箭又被称为「冰箭」。

这样的动力和体积给了「胖五」我国史上最强运载能力,它在近地轨道运载能力为 25 吨,直接在现役国产火箭基础上提升了 2.5 倍以上。

虽然这比不上现役最强运输火箭重型猎鹰火箭,但已经迈入了国际一线行列。目前美俄的主力火箭,运输能力也主要集中在 20-30 吨级别。

如果没有这个量级的火箭,不仅嫦娥五号也无法顺利发射,之后的载人登月和空间站计划也根本不用想。

为什么要上月球「挖土」

如果一切顺利,再过一段时间嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,这是人类之前从未到访过的的月球区域。

为什么我们要千里迢迢来到月球表面「挖土」呢?因为这不仅能让我们了解月球的演变史,对于研究太阳系 45 亿年的变迁也有着重要意义。

比如嫦娥五号着陆的地区,就存在着大约 13 亿至 20 亿年前的玄武岩。而月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成的月球土壤中,蕴藏着太阳活动的许多信息。

中国行星科学家团队不久前在《自然·天文》杂志 发表的一项研究,就根据月球土壤的演变,发现地月系统遭受的撞击物在 35 亿年前后发生了变化,还为揭示太阳系早期巨行星的动荡历史提供了新的思路和线索。

就像中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙所说的:

月壤即月球的土壤,虽然在月球上唾手可得,但是对地球人来说却蕴藏着巨大的科学价值。

可是由于过去只有美苏有能力从月球采样,中国想要研究并不容易。目前中国仅有的 1g 月球土壤样本,还是上世纪 70 年代中美建交后美国赠予中国的。

而且阿波罗号带回的月球样本大多集中在月球正面中低纬度的月海区域,年龄集中在 42-32 亿年前,对于月球研究是不够全面的。而在嫦娥五号带回月球样本后,中国就能对月球进行更进一步的研究。

此外探月工程首席科学家欧阳自远也曾在一次采访中提到为什么要探测月球,除了研究月球演变,月球还有丰富的能源。

欧阳自远认为月球的土壤里面还含有一种非常重要的终极能源原料,我们现在的化学能源、核电站都需要这种原料,这将为人类社会的永续发展提供重要的支撑。

下一个十年,中国人要登上月球了

在嫦娥五号任务顺利完成后,下一阶段就是载人登月了。

中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁曾透露,中国载人登月将在 2030 年左右实现,并在月球南极建立国际月球科研站,在此之前嫦娥六号和七号将先后前往南极进行勘探。

实际上这次嫦娥五号的任务,也可以看作中国载人登月的一次预演。嫦娥五号月球轨道多次分离和对接,其实与美国阿波罗计划载人登月的技术类似。当年美国在进行载人登月之前,同样做过这样的月球轨道交会对接试验

就像航天科普博主「太空精酿」所说,阿波罗飞船与嫦娥五号唯一的区别,就是载人与非载人了。当嫦娥五号的几个主要器件升级为「舱」,并配备载人航天系统和登月装备,就可以实现载人登月了。

中国探月工程副总设计师于登云也表示,嫦娥五号任务是在为未来载人登月做技术储备。

除了中国,美国的 NASA 也已经启动了重返月球计划,最快在 2024 年将再次进行载人登月。不过在十年后,美国很可能不再是唯一一个实现载人登月的国家了。

无论是中国还是美国,载人登月都不会是太空探索的终点。马斯克希望将月球当作火星移民的中转站,而欧阳自远同样认为,月球只是人类的跳板,人类最终可能还是要去火星上的。

* 文章原标题为:刚刚,嫦娥五号奔向月球!中国向载人登月又迈进了一大步

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