嫦娥家族中的“挖土小天才”

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  嫦娥五号归来,一夜之间这个“平平无奇”的挖土小天才成了航天家族中的大明星!它到底有哪些惊世绝技呢?本期我们就通过嫦娥五号的九大高光时刻,了解一下中国最高超的挖土技术!
嫦娥五号轨道器任务徽标
圖片来源:Loren Roberts NASA(毛新愿改编)

四器联合·无人探月技术的极致


  在嫦娥五号之前,只有美国和苏联从月球带回过月壤,美国在1969—1972年使用的阿波罗载人飞船是由服务舱、返回舱、登月舱上升级和下降级四个部分组成的;1976年,苏联使用的月球24号探测器主要由上升级、返回器和下降级三部分组成。而此次,嫦娥五号探测器是由轨道器、返回器、着陆器和上升器四个部分组成的。轨道器主要负责往返月球期间的动力、能量、通信和交会对接任务等;返回器负责保管月壤样本,携带月壤重返地球并被安全回收;着陆器负责携带上升器降落月球表面,完成月面打钻采样、机械臂抓取采样和相关科研任务;上升器负责携带收集到的月壤样本,离开月球表面,与轨道器再次对接,并将月壤转移至返回器中。
  可以说,嫦娥五号有点儿像阿波罗登月飞船的无人缩小版,技术难度远超苏联的月球24号任务。

长征五号·力拔山兮气盖世


  嫦娥五号探测器组合体总重达8.2吨,是人类无人探月史上最复杂、最重的探测器。把它发射到38万千米外的月球并非易事,这就需要用到我国目前最为强大的长征五号系列运载火箭。2020年11月24日4时30分,中国文昌航天发射场,870吨重的长征五号气吞山河,将嫦娥五号直送月球。

万里之外·绝世高手凌波微步


  嫦娥五号单程需要飞行几十万千米,正如我们驾车时需要不时转动方向盘以保持轨迹不偏一样,嫦娥五号也需要时常进行轨道修正,并检验发动机的工作性能。那如何进行轨道修正、一路上又要修正几次?这都要取决于火箭发射后,嫦娥五号被送入预定轨道,以及其轨道器离开月球轨道时的精度。精度越高,需要的后续修正就越小。这次,火箭和轨道器表现得很完美,所以嫦娥五号往返月球的旅程就变得十分轻松,修正非常简单。整个任务期间,共进行了四次轨道修正,每次修正只劳烦一个发动机工作很短的时间,最短的一次为2秒,最长的一次也不过28秒。

月球着陆·刀尖上的舞者


  着陆月球并非易事,嫦娥五号首先需要在38万千米之外的月球上空完成一次分离,着陆器携带上升器择机降落,轨道器携带返回器在月球轨道上静候佳音。随后,着陆器成功完成动力降落、避障、悬停、精避障、缓速降落等过程,稳稳落在吕姆克山附近。这里蕴藏着月球近10亿年地质活动的秘密。
嫦娥五号在月面展开中华人民共和国国旗(模拟图)

采样月壤·五星红旗闪耀月球


  为了最大程度获得不同深度、不同形式的月壤样本,嫦娥五号采用了多种机械结构。钻、抓、取、挖,多种方式并用,使嫦娥五号提前获取了足够的样本。最后,它还从身体里“掏”出一面五星红旗。由于使用了特殊材料、四边也都进行了固定,所以这面五星红旗在亮相月球之时展现出了最美的样子。

上升器返回·“嫦娥”告别单程票


  2020年,我们目睹了多次火箭发射。但在地球之外的“火箭发射”一年仅有一次,那就是嫦娥五号上升器离开月球时的发射。它以着陆器为“发射架”,成功离开月球表面,将采集到的珍贵月壤样本带离月球。由此,“嫦娥”终于结束了单程旅行的历史,这也是人类时隔44年,再次在月球上执行的“火箭发射”任务。

交会对接·万里之外太空之吻


  在地球上,两个距离很远的人想要“接头”,只要打开各自的手机导航就可以了。但由于月球离我们很远,地球上常用的卫星导航系统在月球上根本无法使用。没有导航系统,我们想对嫦娥五号各部分进行高精度定位,并指挥它们进行交会对接就变得极为困难。
  轨道器和返回器的组合体围绕着月球运行,上升器携带着样本想与其会合,就要不断调试位置。通过一次次环绕月球运动期间的调试,它们最终在月球上空完成精准对接。上升器将月壤样本成功封装进返回器,最终实现了中国航天的伟大突破。

太空水漂·极限美丽后的精彩


  嫦娥五号返回时的速度很快,远超神舟飞船的第一宇宙速度,接近了第二宇宙速度(11.2千米/秒)。它直接冲进地球大气层时产生的巨大冲击和热量,极有可能导致任务在最后阶段出现危险。那该如何解决呢?科学家们想到了打“太空水漂”这个办法。
  首先,让嫦娥五号借助在接触大气时产生的强大气动力一跃而起,然后“缓一缓”再落下,这样来回两次“弹跳”,最终安全返回。当然,打“太空水漂”也不是件简单的事。因为大气中各处的空气密度不同,返回器冲进大气的角度和姿态又极难控制,所以为了保证返回器每次冲进大气时不超过自身的耐受极限,“打水漂”的次数和间隔就要经过精确计算,最终才能保证返回器准确落回内蒙古四子王旗着陆场。

成功回收·冰天雪地与谁为伴


  进入大气层后,嫦娥五号返回器就要进入最后一步。气动减速、姿态控制、降落伞减速、落到地面、营救搜寻,冰天雪地的四子王旗在2020年12月17日成为全中国最热闹的地方。令人意外的是,第一个欢迎嫦娥五号回家的竟是一只小动物!这只不知“名”的小动物快速从嫦娥五号身边经过,它一定想不到眼前这个庞然大物刚刚完成了一趟遥远的太空之旅。
  嫦娥五号返回后,它采集的样本会贡献出中国最先进、最亮眼的天体化学研究成果。嫦娥家族的后辈们也在摩拳擦掌,时刻准备着为中国航天事业再创辉煌!小行星和彗星探测、火星采样返回、木星系统探测,一个个目标正走在实现的路上。同学们,中国航天人正在前方期待着与你们“交会对接”,请记住我们的征途是星辰大海!
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