整理| 吴 雪 制图|刘绮黎
12 月17 日凌晨,嫦娥五号圆满完成我国首次地外天体采样返回任务,返回器携带珍贵的月壤样品,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。中国航天科技集团八院做了35 项故障预案,最后一项都没有用到,而此次任务也创造了中国航天史上五个“首次”。
最引人注目的环节之一:
首次地外天体的采样与封装
在月球表面自动采样封装阶段,嫦娥五号在月面选定区域着陆,并使出浑身解数采集月壤,实现了我国首次月面自动采样。为此,中国航天科技集团五院设计师们采用表钻结合,多点采样的方式,精心设计了两种“挖土” 模式:钻取和表取。
当着陆器、上升器组合体顺利软着陆在月球表面后,“嫦娥”为期2 天的月面工作就开始了,她采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土” 等各种方式,采集约2 千克月壤并进行密封封装。
中国航天史上首次:月面起飞上升
嫦娥五号完成月面工作后,踏上“回娘家” 的旅程。这就涉及到突破我国航天史上另一个首次,也是一个高难度科目——月面起飞上升。
月面起飞,与运载火箭在地球起飞经过人工精确测算不同,它没有一马平川的起飞地,更没有成熟完备的发射塔架,着陆器就相当于上升器的发射塔架,托举着“五姑娘” 回家。而月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,这就给起飞增加了难度。
因此,月面起飞时,必须依靠航天器“自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升,航天科技集团五院嫦娥研制团队进行了大量试验验证,并建立了一整套环环相扣的系统保证任务。38 万公里外的无人交会:首次月球轨道交会对接
当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,嫦娥五号一路飞奔而去。但仅仅依靠上升器是不可能实现返回地球的,它需要飞到月球轨道上,在这里与轨道器、返回器组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。
但在38 万公里外的月球轨道上进行无人交会对接不仅在我国尚属首次,也是人类航天史上的首次。人类此前三次无人月球采样任务,采用的都是月面起飞直接返回地球的方案。
嫦娥五号则实现突破,从上升器进入环月飞行轨道开始,一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止,设计师们为嫦娥五姑娘精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作。
携带月壤回家:
首次样品的存储、分析和研究
此次嫦娥五号任务计划开展月球样品的分析与研究,对月球样品进行系统长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,深化月球成因和演化历史的研究,极具科学意义。
打个“太空水漂”:
首次携带样品高速再入地球
当返回器带着月壤,从38 万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来,这时它的飞行速度接近11公里/秒的第二宇宙速度,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8 公里的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3 公里的差距,它就好像扔石头,同样一块石头,从一层扔下来和从十几层楼扔下来的速度肯定不一样。
同理,航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38 万公里远的月球返回必然不同,且差距巨大。一旦速度过猛,返回器一头撞向地球,后果不堪设想,必须让返回器减速飞行。
为此,科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,整个再入返回过程就是让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面。