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        完美歸隊!嫦娥五號一記全壘打,捎來月亮“土味”情話

        放大字體  縮小字體 發布日期:2021-08-17  來源:物聯中國 點擊:502次 核心提示:  瀏覽次數:371

        隨著12月17日凌晨嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸,我國探月工程三步走規劃完美收官。

        “心至蒼穹外,目盡星河遠?!睂τ谥袊教烊藖碚f,為了探索和接觸遙掛天空的月亮,經過16年努力,中國探月工程取得了“六戰六捷”的優異成績。從嫦娥三號、玉兔號到嫦娥四號、玉兔二號,再到嫦娥五號,精彩演繹了探月之旅。

        在12月17日下午舉行的國新辦發布會上,中國國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華介紹道,嫦娥五號是我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程,首次實現了我國地外天體采樣返回。此次任務的成功實施,是我國航天事業發展中里程碑式的新跨越,標志著我國具備了地月往返的能力,實現了“繞、落、回”三步規劃走完美收官,為我國未來月球與行星探測奠定了堅實基礎。

        九天云外攬月回

        作為21世紀人類首次月球采樣返回任務,帶著月球“土特產”的嫦娥五號順利返回標志著中國航天向前邁出一大步。

        嫦娥五號探測器重達8.2噸,由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成,任務實施由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控與回收、地面應用等五大系統共同完成,是我國探月工程“繞、落、回”三步走規劃中“回”的主任務。

        吳艷華說介紹,嫦娥五號任務創造了五項中國首次:一是在地外天體的采樣與封裝,二是地外天體上的點火起飛、精準入軌,三是月球軌道無人交會對接和樣品轉移,四是攜帶月球樣品以近第二宇宙速度再入返回,五是建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統?!斑^去的23個日日夜夜,嫦娥五號完成了一次對接、六次分離,兩種方式采樣、五次樣品轉移,經歷了11個重大階段和關鍵步驟?!?/p>

        先是11月24日長征五號準時并成功發射,之后探測器地月轉移、近月制動、兩兩分離、平穩落月、鉆表取樣、月面起飛、交會對接及樣品轉移、環月等待、月地轉移,今天再入返回、安全著陸,整個工程任務現在轉入了科學研究的新階段。

        “以嫦娥五號任務圓滿成功為起點,我國探月工程四期和行星探測工程將接續實施。目前,首次火星探測任務‘天問一號’正在奔火的征程;嫦娥六號、七號、八號,小行星探測、火星取樣返回、木星系探測等工程任務也將按計劃陸續實施?!眳瞧G華表示。

        吳艷華透露,對于月球樣品,主要有三類用途:最主要的目的,取樣是為了進行科學研究;第二類,有一部分樣品將入藏國家博物館,向公眾展示,進行科普教育;第三類,一般依據國際合作的公約和多邊雙邊的合作協議,將發布月球樣品和數據管理辦法,與有關國家和世界的科學家共享,也有一部分按照國際慣例,可能作為國禮相送。

        中國科學院國家天文臺研究員、探月工程三期副總設計師李春來補充,對于采回的月球樣品,我們會妥善存儲,包括異地災備存儲考慮。絕大部分樣品會用于科學研究,我們會在實驗室進行長期的、系統的對月球樣品的研究工作,包括它的結構構造、物理特性、化學成分、同位素組成、礦物特點和地質演化方面,希望能夠深化我們對月球的起源、演化方面的認識。

        突破難點、自主創新

        相比較于以往的任務,嫦娥五號任務有哪些難點和創新點?

        國家航天局探月工程三期總設計師胡浩介紹稱,作為探月工程三期的嫦娥五號任務,應該說和前期任務比,技術跨度是比較大的。

        探月工程實施到今天,前面已經成功實施了嫦娥一號、二號、三號、四號和我們的返回試驗,五次任務都取得了圓滿成功,每次任務都比前一次有較大的進步。

        胡浩說,對于嫦娥五號任務來講,這次與嫦娥三號、四號比,應該說跨度更大?!拔覀兦懊媸窃谠虑蛏线M行巡視勘察,這次主要是采樣返回。為了能夠可靠地實施嫦娥五號任務,就要突破在月球上采樣返回碰到的新技術,怎么能夠實現在月球上可靠地采樣,并且把月球的樣品可靠地封裝到真空容器當中,并且在月球上進行轉移,轉移到我們自身的返回系統當中去,這整個的過程和前面相比都是新的,都是有創新性的?!?/p>

        “在月球軌道上,我們留了軌道器。為了能夠多采一些樣品,我們在月球軌道上還要搞一次交會對接,月球軌道的交會對接和地球軌道也有很大的不同,一是目標比較小,月球又比較遠,要求的自主能力就比較強,同時測控手段有限、支撐的條件也有限,所以交會對接也是我們要克服的難點,也是創新點?!?/p>

        而從月球軌道回來、再入大氣是接近第二宇宙速度,這和以前的不管是載人航天還是再入(地球軌道)任務來比,速度快了很多,對熱的、控制能力的、精度的影響都很大,這也是個重要的突破?!八?,我們五個首次是這次嫦娥五號任務所面臨的新的挑戰。實際上,對我們整個工程來講,恐怕還不止這五個方面,因為作為國家的重大科技專項,我們在立項之初,自主創新是我們的目標,也是我們的主旨?!?/p>

        探月工程背后的上海力量

        嫦娥五號探測器由4個部分組成,其中,由中國航天科技集團八院(下稱“八院”)研制的軌道器,作為貫穿任務全過程的核心產品,是名副其實的“太空郵差”。

        嫦娥五號著陸器與上升器組合體成功采樣之后,攜帶月壤的上升器是無法利用自身的動力返回地球的。必須通過“太空物流”的形式將貨物安全帶回。因此,采用類似“天宮”“神舟”這樣的交會對接方式是最好的“搭乘”辦法。

        按照計劃,在月球軌道,由上升器和軌道器完成首次月球軌道交會對接,并將月球土壤樣品“包裹”轉移至返回器內。軌道器就像在月球軌道環繞的“郵差”,完成“打包”和“裝箱”后,迅速進入月地轉移軌道執行隔空投送,將月壤樣品捎回藍色星球。

        根據任務要求,嫦娥五號軌道器需在自身干重1噸多情況下,頭頂3.7噸的著陸上升組合體、肚裝3噸推進劑和300多公斤的返回器,并在飛行過程中依次分離著陸上升組合體、對接與樣品轉移機構和返回器,是我國首個具有大承載、分離面多特點月球探測飛行器。

        捕獲、收攏、轉移,看似簡單的過程,但在38萬公里之外的飛行器上實現卻遠遠沒有那么簡單。

        自嫦娥五號軌道器立項起,八院探月工程負責人、嫦娥五號探測器副總指揮張玉花就帶領團隊“白手起家”,展開了攻堅研制之旅。

        “作為世界首次月球軌道無人交會對接,可以說對此次任務成敗起決定性作用?!睆堄窕ㄕf,單從交會對接與樣品轉移任務來看,可靠性是要求最高的,因為整個過程只能一次成功,沒有第二次機會。

        另外,探月工程三期任務最引人矚目的當屬首次在38萬公里之外的月球軌道上進行交會對接,將裝有月壤的樣品容器從上升器轉移至返回器中。為了確?!白サ米?,抱得緊,轉得穩”的既定目標,精準可靠控制抓捕機構和轉移機構是關鍵。

        為了完成技術攻關,軌道器副總師胡震宇與對接與樣品轉移分系統時任主任設計師鄭云青和年輕的團隊成員調研國內外對接機構設計,開展了4種對接方案設計和9種轉移方案設計,上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種,通過多輪方案比較及關鍵技術攻關,最終確定了現在的抱爪式對接方案和連桿棘爪轉移方案。

        另外,地月“快遞”熱控也有不小難度。本次探測中,嫦娥五號軌道器熱控系統研制任務由八院509所熱控團隊承擔。

        熱控團隊副主任設計師張彧介紹:“在整個飛行階段,軌道器需歷經19個飛行階段、8種飛行姿態及5種不同的構型,飛行過程中要經歷極為惡劣的熱環境,長期經受太陽、月球和空間低溫的交替,引起軌道器外表面高低溫的劇烈變化,其溫度范圍可從攝氏零下二百多度變至上千度以上?!?/p>

        面對巨大的外熱流和內功耗劇烈變化,軌道器需要設計較大的散熱面以滿足高溫散熱需求,低溫時則需要消耗較多的電加熱功耗來保溫,采用傳統熱設計會占用大量資源。

        通過大量的仿真、試驗,熱控團隊探索出一套錯峰補償的控溫策略。也就是,通過對在軌衛星海量運行數據的挖掘,建立準確的溫度場在軌預測模型,然后“對癥下藥”,針對每臺設備提出熱控系統自主管理模式,實現熱控系統在近月制動、交會對接等關鍵階段的用電高峰期時加熱功耗為0的目標。

        作為探月工程嫦娥五號測控與回收系統的重要組成部分,上海天文臺牽頭的中國甚長基線干涉測量(VLBI)網與現有航天測控網,共同完成嫦娥五號探測器各飛行段的測定軌及定位任務。我國的VLBI測軌分系統由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺的VLBI數據處理中心(VLBI中心)組成,在嫦娥五號關鍵測控過程中,發揮了不可替代的重要作用。

        第一財經記者從上海天文臺獲悉,在嫦娥五號任務中,VLBI參加了地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降、月面工作、動力上升、交會對接、環月等待和月地轉移等9個飛行段探測器的相對差分單向測距(ΔDOR)測量及軌道確定和預報;確定了月面著陸點及月面起飛點的精確坐標,完成了月面起飛及入軌測定、軌道器與上升器交會對接遠程導引、月地轉移段的軌道器與返回器分離點預報,以及上升器受控撞月及撞擊點坐標與時刻測量等任務。

        這些工作支持了嫦娥五號,首次實現我國月球表面采樣、月面起飛、月球軌道無人交會對接等高難度任務及月球樣品再入返回的工程目標。

        中國基礎研究投入快速增長

        “嫦娥五號”探測器連續實現我國航天史上首次月面采樣、月面起飛、月球軌道交會對接、帶樣返回等多個重大突破,背后是我國基礎研究實力的提升。

        推動社會進步需要依靠新的技術和新的知識,根據斯坦福大學經濟系教授查德·瓊斯(Chad Jones)的一項研究,基礎研究投入所產生的社會回報率至少能夠達到30%。近年來,中國政府正在基礎研究方面加大投入,而美國的投入卻在減少。

        但是,自美國首次實現登月計劃以后的幾十年中,美國對基礎研發的投資不斷減少。與上世紀70年代初相比,美國國家航空航天局的支出下降了一半以上。去年,美國聯邦研發總支出僅占所有聯政府支出的2.8%,占其國內生產總值(GDP)的0.6%,創下了60年來的最低水平。美國聯邦研發支出曾在1965年蘇聯發射人造衛星后達到頂峰,占聯邦支出的11.7%,占GDP總值的2.2%。那時的前沿發現推動了互聯網和全球導航系統GPS的出現。

        根據美國國家科學基金會的評估報告,從2000年到2017年,中國的研發支出以年均17%的速度增長,從而“迅速縮小了與美國創新的差距”。美國國家科學基金會的一位官員評論稱,2019年的初步數據表明,中國的研發總支出已超過美國。

        內容來源:工業信息網

         
         
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