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中国焦点面对面:“嫦五”探月有何难?月球“挖土”有何用?

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  (中国焦点面对面)“嫦五”探月有何难?月球“挖土”有何用?

  中新社北京11月24日电 题:“嫦五”探月有何难?月球“挖土”有何用?

  ——专访中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青

  作者 张素 郭超凯

  11月24日4时30分,长征五号遥五运载火箭成功发射探月vwin德赢152嫦娥五号探测器,顺利将探测器送入预定轨道,开启中国首次地外天体采样返回之旅。

  这是中国探月vwin德赢152“绕、落、回”三步走中的收官之战,更是中国航天领域迄今为止最复杂、难度最大的任务之一。“嫦五”探月有何难?月球“挖土”有何用?24日,中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青接受中新社“中国焦点面对面”专访,进行权威解读。

  访谈实录摘编如下:

  中新社记者:为什么这次发射窗口时间会选在凌晨,最佳发射时间要满足什么条件?

  李青:最佳发射时间取决于任务设计。嫦娥五号探测器最主要的任务是完成月面采样。要保证采样过程中具有最佳测控状态,我们希望在地球的深夜、月球的白昼去完成。这个时候也相当于我们所说的满月状态,满月时对月球具有最佳的观测条件,也具有最佳的测控条件,受到这些条件约束,我们经过轨道计算反衍出最佳发射时间是在凌晨4时30分左右。

11月24日4时30分,中国在文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月vwin德赢152嫦娥五号探测器。骆云飞 摄
11月24日4时30分,中国在文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月vwin德赢152嫦娥五号探测器。骆云飞 摄

  中新社记者:从嫦娥一号到嫦娥五号,请您带我们回顾一下中国的探月历程。

  李青:中国探月vwin德赢152按照“绕、落、回”三步走战略,目前已成功执行五次任务。

  嫦娥一号于2007年10月在西昌卫星发射中心发射,在完成预定的环绕探测任务后,于2009年3月成功受控撞月。

  嫦娥二号作为二期vwin德赢152的先导任务,于2010年10月成功发射,在对嫦娥三号准备着陆的虹湾地区进行高分辨率成像之后,于2011年4月开始拓展任务,完成进入日地拉格朗日L2点环绕轨道的技术试验,随后飞越图塔蒂斯小行星并传回照片,目前已成为中国飞离地球最远的探测器,也开启了中国多目标深空探测的先河。

  嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成,于2013年12月成功发射并安全着陆于月球正面虹湾地区,着陆后巡视器与着陆器分离,分别完成了预定的月面探测任务。

  嫦娥五号飞行试验器主要用于验证半弹道跳跃式再入返回技术,于2014年10月成功发射,在经历地月转移、月球近旁转向、月地转移之后,返回器与服务舱分离并进行再入返回,最后成功着陆于内蒙古四子王旗预定区域。

  嫦娥四号在嫦娥三号的基础上进行适应性改进,选择月球背面开展着陆和巡视探测任务,并发射中继星“鹊桥”以解决通信问题,已于2019年1月成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地,成为世界首个在月球背面实现软着陆巡视探测的航天器,目前仍在正常工作。

  这次(执行任务)的嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成。根据最新消息已于今天凌晨4点30分左右由长征五号遥五运载火箭发射,目前已成功进入地月转移轨道。

中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青接受中新社“中国焦点面对面”专访。中新社记者 张兴龙 摄
中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青接受中新社“中国焦点面对面”专访。中新社记者 张兴龙 摄

  中新社记者:您是否可以为我们详细介绍一下嫦娥五号这次的任务?

  李青:中国嫦娥五号探测器的目标任务是:实现月面自动采样返回,采集约2千克月球样品返回,开展月球样品地面分析研究。

  整个任务飞行过程分为11个阶段,总飞行时间约23天。

  第一个阶段是发射入轨段。探测器由长征五号运载火箭发射升空,器箭分离后进入地月转移轨道。这个阶段在今天已经完成了。

  第二个阶段是地月转移段。探测器沿地月转移轨道飞行约5天,到达轨道高度约为200公里的近月点附近,期间将经历1至3次中途修正。

  第三个阶段是近月制动段,(即)“刹车”。探测器在近月点附近,实施一次近月制动,进入近月点高度200公里的环月椭圆轨道;在环月椭圆轨道运行三圈后,实施第二次近月制动,进入平均高度200公里的环月圆轨道。近月制动过程飞行时间约1天。

  第四个阶段是环月飞行段。探测器在环月圆轨道飞行约4圈后,着陆上升组合体与轨返组合体实现分离,轨返组合体继续环月飞行,着陆上升组合体在环月轨道上运行约12圈后,实施两次降轨变轨,进入近月点约15公里、远月点约200公里的椭圆轨道。

  第五个阶段是着陆下降段。着陆上升组合体在环月椭圆轨道上继续运行约10圈后,择机实施着陆下降,在月面预定区域进行软着陆,着陆下降过程约15分钟。

  第六个阶段是月面工作段。着陆上升组合体着陆后,采用钻取和表取两种采样方式,完成月壤的采样和封装;同时,有效载荷开展就位探测;采样结束后,对上升器进行月面定位,完成上升器起飞状态准备。月面工作时间约2天。

  第七个阶段是月面上升段。月面工作完成后,上升器以着陆器为平台起飞,经过垂直上升、姿态调整、轨道入射,进入近月点15公里、远月点180公里的上升目标轨道,飞行时间约6分钟。

  第八个阶段是交会对接与样品转移段。上升器进入目标轨道后,通过实施四次轨道机动,最终导引至高度为210公里的环月圆轨道上。上升器远程导引时间约2天。当上升器位于轨返组合体前方50公里左右、上方10公里左右的位置时,开始进入近程自主控制段。轨返组合体为主动飞行器,上升器为目标飞行器,建立对接停靠所需的初始条件,开始对接。轨道器对接机构捕获锁定上升器后,样品转移机构开始动作,将上升器中的样品容器转移至返回器内部,完成样品转移操作;之后轨返组合体择机与上升器及对接舱分离。

  第九个阶段是环月等待段。轨返组合体在环月轨道上停留5至7天,等待月地转移窗口。

  第十个阶段是月地转移段。轨返组合体在月地转移窗口到达后,通过实施两次轨道机动,进入月地转移轨道。月地转移飞行时间约4至5天,期间通过实施1至3次中途修正,以满足返回器再入点参数的要求。

  第十一个阶段是再入回收段。当轨返组合体距离地球表面高度约为5000公里时,轨道器与返回器解锁分离。分离后轨道器进行规避机动,返回器以半弹道跳跃式再入方式返回地球,并在10公里高度开伞,最终落至内蒙古四子王旗着陆场。

中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青接受中新社“中国焦点面对面”专访。中新社记者 盛佳鹏 摄
中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体副主任设计师李青接受中新社“中国焦点面对面”专访。中新社记者 盛佳鹏 摄

  中新社记者:通俗来说这次任务是“抓一把土返回地球”。“这一把土”是什么样的“土”?为何选择带回这样的样本?将对今后科研工作有何帮助?

  李青:嫦娥五号探测器设计了两种采样方式,分别是钻取采样和表取采样。钻取采样是用一个约2米(长)的钻杆钻入月表内部,采集两米深度、约0.5千克的样品。表取采样是用机械臂进行多点采样,采样区域包括平地,撞击坑、凸起、小石块都可以作为采样样品,这些样品的分布不同,具有不同地质特点,也有不同演化历史,可以大幅提高科研价值。钻取采样和表取采样后分别进行封装,再对样品容器进行密封,以保证样本在返回过程中不受到外界环境的污染。

  中新社记者:这次任务被称为迄今为止航天领域最复杂、难度最大的任务之一,您如何定义“最复杂、难度最大”?任务难点究竟在哪?

  李青:嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移等方面。

  首先是月球轨道设计复杂。因为嫦娥五号探测器的飞行阶段多,各个阶段轨道方案耦合紧密,涉及测控、运载和着陆场的多种限制,约束条件多,飞行过程还涉及月面起飞、轨道交会对接、月地轨道等新的飞行阶段,在以前“绕”和“落”任务中是没有涉及的。飞行过程复杂,轨道设计难度较大,在标称轨道设计方案上还需要考虑推进剂资源受限的情况下制订各种预案,对轨道设计也是全新的挑战。

  第二是月面采样封装技术,这是全新的技术,也是嫦娥五号月球无人采样返回任务的核心环节之一。该任务采用钻取和表取结合,多点采样方式,采样装置是全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务及探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束,采样期间面临月面持续高温的工作环境,同时采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。

  第三是月面起飞上升验证比较难。由上升器、着陆器和月面构成的月面起飞系统,其初始状态源自着陆上升组合体着陆月面的场坪条件、着陆的姿态及方位等条件,月面起飞初始条件无法像运载火箭和导弹一样在地面由地面人员完成测调和确认,必须依靠自主定位定姿方式确定起飞的初始状态。面对倾斜发射的情况,需要明确起飞稳定性的各种因素及其耦合的影响,依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨。与常规的航天器面临的羽流环境不同,上升器发动机在受限空间中点火是有非常复杂的羽流力热效应,需要通过大量的地面仿真和试验去进行验证。

  第四是月球轨道交会对接与样品转移自主要求高。与近地轨道交会对接不同,嫦娥五号月球轨道交会对接没有卫星导航信号的支持,对接与样品转移过程的自主要求很高。同时在月球交会对接过程中,地面测控支持能力受到限制,受到对接机构大小的限制,对接精度要求较高。嫦娥五号探测器对接与样品转移机构在保证对接精度的同时还必须满足样品转移的相关要求。对接机构与样品转移机构的一体化设计,也是该技术研究中的难点。

  中新社记者:“绕、落、回”中“回”是关键一步,请问我们希望达到什么科学目标?

  李青:作为中国探月vwin德赢152“绕、落、回”三步走的收官之战,嫦娥五号任务意义重大、影响深远、举世瞩目。三步走目标中“绕”是完成了中国首次月球环绕探测任务,“落”是完成了中国首次月球软着陆和巡视探测任务。最后“回”的关键一步将实现中国首次月球无人采样返回任务,包括多个首次:首次月面自动采样与封装、首次月面起飞上升、首次月球轨道交会对接、首次带月壤高速(再入)返回地球、首次自取月球样品的存储、分析和研究。

  嫦娥五号任务的科学目标主要是开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;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。

11月24日4时30分,中国在文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月vwin德赢152嫦娥五号探测器。骆云飞 摄
11月24日4时30分,中国在文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月vwin德赢152嫦娥五号探测器。骆云飞 摄

  中新社记者:您说到多个首次,也提到“绕、落、回”三步走具有深远影响。这在帮助我们认识月球的问题上会有重大突破吗?

  李青:完成探月三步走标志着中国掌握了全面的月球无人探测技术。通过探月vwin德赢152的研究成果,大幅提高了中国科学家对月球地形地貌及地质构造、物质成分、月壤特性、月面环境等的全球性、整体性与综合性的认识,使中国掌握了第一手的月球探测数据,为后续的月球探测vwin德赢152和月球科研站选址与建设提供了科学依据。

  中新社记者:探月vwin德赢152中还有一个“网红”是玉兔二号月球车,据了解它已完成自主唤醒并开始新一轮月昼工作期。能否介绍玉兔二号与嫦娥五号有什么不同?

  李青:“玉兔”月球车实际上指的是“嫦娥”着陆器所携带的巡视器。“玉兔一号”月球车是嫦娥三号探测器的巡视器,“玉兔二号”月球车是嫦娥四号探测器的巡视器,因此它们都是嫦娥探测器的一部分。

  “嫦娥”着陆器除了保证整个探测器安全着陆以外,还具备原位探测功能,通过长时间的原位探测可以获取着陆区附近比较详细的探测数据以及时间历程。而“玉兔”月球车具有移动装置,主要用于巡视探测,可以大幅扩展月面探测的范围。这两种探测方式相互补充、相互结合,有利于提高探测的效率。

  中新社记者:依托我们所拿到的月球科研数据,您认为是否可以像现代科幻片里那样建立我们的月球家园?

  李青:嫦娥奔月的神话传说寄托了中国古人对月球的美好幻想。根据目前月球探测历程所取得的成果和未来的月球探测计划,建立月球家园——也就是建立支持长期人员生存的综合型月球科研站,或者叫月球村——实际上已经被提上计划日程,从技术上讲虽然还有很多关键技术有待去突破,但是应该已经没有太多科幻成分。这也是人类航天事业发展的大势所趋。

  但我要强调的是,一以贯之,久久为功。在政策的持续支持下,在长期和平的国内和国际环境下,在长期良好的国际合作氛围下,更在所有航天工作者不懈的努力下,这一天才有望早日到来。(完)

【编辑:孙静波】

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