嫦娥五號月球探測器已經由長征五號遙五重型運載火箭,在海南文昌航天發射場發射升空,作為我國無人月球探測階段“繞”、“落”、“回”三步走的最後一步,嫦娥五號將是中國首個實施無人月面取樣返回的月球探測器,為中國探月工程的收官之戰。
不可否認,早在上個世紀,美蘇就已經實現登月取樣返回的壯舉,而且,美國更是成功實現了人類首次載人登月飛行和人對月球的實地考察,技術領先中國半個多世紀,但是
為什麼卻說中國的嫦娥五號技術要比美蘇更加先進呢?還得從美蘇的兩次登月開始說起。
1970年9月12日蘇聯的第一個月球探測計劃“月球計劃”的第31顆無人月球探測器月球16號成功發射,它是人類第一個實現在月球上自動取樣並送回地球的探測器。
月球16號發射總重5.8噸,分為下降級和上升級。
月球16號探測器模型
下降級位於月球16號下部,負責採集月球樣本,與地球進行無線電聯絡,提供所有的電力,同時它還充當上升部分的發射平臺。下降級最下方是制動發動機,負責減速、著陸;遊動發動機負責在飛行過程中修正軌道;4個對稱分佈的圓柱形推進劑箱,為發動機提供燃料。
上升級位於月球16號上部,負責把裝有月球樣品的返回艙送回地球。上升級包括提供動力的發動機噴管,3個球形燃料箱和儀器艙,而位於儀器艙上方的是最終返回地面球形返回艙,返回艙直徑約50釐米。
月球16號的設計在現在看來很單一,只有上升級和下降級兩部分,登月和返回過程也很單一。進入環月軌道後,總重5.8噸的月球16號在拋棄燃料箱和導航系統後以1.88噸的總質量軟著陸在月球表面。完成月球取樣後,上升級發動機點火升空與下降級脫離,開始返回地球,最後分離出返回艙再入大氣層,帶著月壤標本返回地面。
如此的設計比1969年登月的美國阿波羅11號要簡單許多,好在是人類第一次的全自動取樣並送回地球,為在月球競賽中落後的蘇聯挽回一些臉面,不過阿波羅11號真的領先很多。
阿波羅11號指揮艙、服務艙和登月艙3個部分組成。
指揮艙是宇航員在飛行中生活和工作的座艙,也是整個飛船的控制中心。指揮艙為圓錐形,高3.2米,重約6噸,最大直徑3.9米,指揮艙分前艙、宇航員艙和後艙3部分。前艙內放置地球著陸部件、回收裝置和姿態控制發動機等。
服務艙的前端與指揮艙對接,後端有推進系統主發動機噴管。艙體為圓筒形,高6.7米,直徑4米,重約25噸,主發動機用於軌道轉移和變軌機動。
登月艙由下降級和上升級組成,地面起飛時重14.7噸,寬 4.3米,最大高度約7米。下降級:由月球著陸發動機、4條著陸腿和4個儀器艙組成。上升級:為登月艙主體,能容納2名宇航員,宇航員完成月面活動後駕駛上升級返回環月軌道與指揮艙會合。
阿波羅11號整個登月過程可以簡述為,進入環月軌道後,阿波羅11號第一次分離與對接,是為了進行結構調整,將登月艙和服務艙、指揮艙分離後,服務艙、指揮艙進行了180度大旋轉再對接,為登月與返回做準備,然後登月艙從指揮艙中分離,登月艙在月面軟著陸後,宇航員進行月面活動,活動結束後由登月艙的上升級帶回月球上空與指揮艙對接,對接完成後上升級被拋棄,指揮艙和服務艙返回地球。
阿波羅11號的服務艙、指揮艙進行了180度大旋轉再對接
嫦娥五號探測器總重8.2噸,由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成
,後續在經歷地月轉移、近月制動、環月飛行後,著陸器、上升器的組合體將與軌道器、返回器的組合體分離,軌道器攜帶返回器留軌執行。
著陸器承載上升器擇機實施月球正面預選區域軟著陸,按計劃開展月面自動取樣等後續工作,而後上升器攜帶月壤採集標本離開月球,與軌道器、返回器的組合體匯合,將月壤傳遞給返回器後上升器被拋棄,軌道器將攜帶返回器返回地球軌道,然後結束使命,返回器獨自返回地球。
從這一過程來看,嫦娥五號與阿波羅11號的工作流程相似,可以說是迷你版的阿波羅11號。
不過從嫦娥五號的設計目標來看,與月球16號一致只是實現自動化採集月壤,但從其採用看似沒有必要的更復雜設計可以看出,這個探測器還承擔著驗證我國後續載人登月任務關鍵技術的重任,畢竟這套系統放大一點,加上生命保障系統,完成登月任務完全不是問題。
嫦娥五號比起阿波羅11號更復雜的地方是,阿波羅11號各個環節可以進行人工干預操作,相比之下嫦娥五號的所有過程全部自動化完成,更為精密和對容錯率要求更高,一旦出現故障或者失誤,將考驗一系列的備用方案。
值得注意的是,從最複雜精密性要求最高的上升器與返回器的對接來看,由於月球軌道相對於地球軌道有時延,時間走廊較小,對時效性要求非常高,必須一氣呵成完成對接與轉移任務,所有步驟要在21秒內完成,1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊,為保證萬無一失,研製團隊做了35項故障預案,從啟動開始到交會對接,研製團隊先後進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試,透過不斷地測試、最佳化,確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失。
天文一號火星著陸模擬圖
而從嫦娥五號的複雜設計來看,我國航天事業一直處在進步和追趕的道路上,沒有太多的精力和資源一點點的在實踐中驗證,嫦娥探月工程的“繞”、“落”、“回”,在天問一號上被直接濃縮成了繞落一次性完成,此次嫦娥五號的成功返回,將直接給火星登陸返回計劃注入資料支援。
在不遠的將來,中國人在月面插上五星紅旗不是夢,將火星土壤帶回中國也絕對不是夢!
參考資料:《百度百科》