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嫦娥五号在月球上“挖土”有多难?钻铲挖夹十八般武艺齐上阵
作者:巩树新    文章来源:转载新华社    点击数:    更新时间:2020/12/2         ★★★

嫦娥五号在月球上“挖土”有多难?钻铲挖夹十八般武艺齐上阵

封面新闻

据新华社报道,记者从国家航天局获悉,12月1日,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区。成功着陆后,将正式开始持续约2天的月面工作,完成中国首次地外天体无人自动采样,并带回约2公斤样品。

嫦娥五号是迄今为止国内最复杂的航天器,这次无人月面采样返回从发射入轨到返回再入,共有11个飞行阶段,一个又一个难题可谓“步步惊心”。月球表面自动采样封装,是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。嫦娥五号如何采集月壤、又有哪些特殊本领将为嫦娥五号探测器的顺利“通关”保驾护航呢?

关注1

自动采样秘笈:钻取+表取两种方式

在月球上取样,说的通俗点,就是在月球上“挖土”。但是,月面环境和我们熟悉的地球大不相同,月球表面白天温度约180℃,夜间能达到零下150℃,昼夜温差约330℃,无人采样器需在150℃以上的月球表面工作。陌生的环境常常会带来新鲜感,但对嫦娥五号来说,这种“新鲜感”却成为无人月面采样返回要过的第一道坎。

据航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍,考虑到样品的种类、数量以及月球表面的不确定性,他们设计了钻取和表取两种方式,两种样品大概比例为1∶3。

怎么钻取?彭兢说:“目前有一些科学研究成果表明,月球正面风暴洋北缘的吕姆克山附近区域的平均月壤厚度大约是4米,但这只是统计意义上的概率,困难的地方在于我们去之前并不知道那里是很坚硬的岩石,还是很松软的月壤。从现在的研究来看,大概率是松软的,现在设计的目标深度是两米左右。”

由于嫦娥五号本身是由上升器、着陆器、返回器和轨道器四部分共同构成,这个重8.2吨的“大家伙”自身比较重,也就决定了它没有机会再携带巡视器,相比嫦娥三号和嫦娥四号,嫦娥五号不能再依靠巡视器完成勘探的工作。

彭兢说:“钻取采样装置正下方的点有哪些特性,我们事先并不知道,万一碰到特别坚硬的岩石,就有可能采不到,当然我们在地面也做了很多工作,某一些坚硬的岩石在特定的条件下,是可以通过钻头将坚硬的岩石表面打碎,取得一些颗粒状的月壤,但是这些有很大的不确定性,这也是我个人认为深空探测里比较有魅力的地方。”

那么,表取又是如何进行?对此,科学家们专门为这种采样方式设置了特定的机械臂。

彭兢表示:“这个机械臂和人手几乎是一样的,在末端,就是腕关节上有两个采样器。一个采样器类似于一个铲子,这个铲子有点像带钩子的铁锹,通过接近月面的时候转动,从月面挖取样品。”彭兢介绍,在表取时将使用两种采样器,除了铲挖式,还有一种末端为花瓣状结构的采样器,它能通过旋转,破碎掉黏结在一起的月壤,从而获得相对较深层的样品。

彭兢说:“现在选定的风暴洋西北部地区带回来的样品,跟之前的样品放在一起,对月球形成演化的过程会有更好的了解。样品有一定的不确定性,需要等到样品返回地球之后,在地面开展了相关的研究工作才能知道。”

据国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍,嫦娥五号随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”,将采取深钻、浅钻,以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约2公斤月壤,取得的样品将用上升器的密封封装装置进行高真空密封,随后带回地球。

关注2

对接秘笈:用上“抱爪式”对接机构

之后,嫦娥五号采样返回的第二道关卡出现了,就是月面起飞。彭兢介绍,从距离地球38万公里以外的月面起飞,不确定性非常大,而能否成功起飞也关系到后面交会对接能否顺利实现,这一环节是交会对接的起点,需要上升器百分百瞄准交会对接的轨道器。

彭兢说:“这个位置可能会存在一定的偏差,不像在地面表面可以精确到米甚至厘米,在月球上现在的指标可能就是百米这个量级,这些误差都会影响到入轨的精度。另外,月球的引力场确实和地球有所不同,所以轨道设计要考虑月球引力场的影响。”

成功从月面起飞后,上升器和轨道器开始交会对接,将样品转移至返回器中。相比此前,空间实验室天宫一号采取的是撞击式交会对接,这一次,按照月球轨道和嫦娥五号的特点,有了全新调整。据航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍,这一次采用了全新、轻型化“抱爪式”对接机构。

查学雷说:“主要的特点是相对很轻,能够保证月球探测器减重的需求;另外一个特点,与地球轨道上非常不一样的是,在月球轨道上进行对接,因为距离地球很远,会有一个时延,对我们是比较大的一个挑战。”

查学雷介绍,采用轻小型化的抱爪式对接机构,能够在21秒的时间里,“稳、准、狠”地完成任务。

关注3

返回秘笈:太空打水漂再入返回地球

与之前不同,这时返回器不但速度快,而且与大气剧烈摩擦、表面温度也更高,如何保证顺利回到地球?这是无人采样返回的最后一道关卡。据裴照宇介绍,团队采用了半弹道弹跳式返回的方式。

裴照宇说:“弹道式就像导弹,导弹打到外太空之后再入地球,不再进行升力控制,是靠惯性落到地面,而我们要进行准确的着陆点的控制,采用了半升力控制的方式。”

什么是跳跃式?就像“打水漂”,相当于返回器要先进一次大气层,利用大气层的阻力使它降速,然后再回来;第二次再入大气的时候,它的速度就会更慢一些适合着陆。

裴照宇表示:“采用跳跃式是为了减少力热的影响,使得再入的时候更安全,这样的方式为未来进行技术积累。”

除了通过“打水漂”,科学家们还在返回器材料上做了文章。据航天科技集团五院嫦娥五号探测器返回器副主任设计师刘大海介绍,返回器使用了蜂窝结构的防热层,约20毫米厚,里面填充的都是新型耐烧蚀材料。除此之外,在耐高温发动机以及推进器的控制方面,进行了创新。

据新华社报道,记者从国家航天局获悉,12月1日,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区。成功着陆后,将正式开始持续约2天的月面工作,完成中国首次地外天体无人自动采样,并带回约2公斤样品。

嫦娥五号是迄今为止国内最复杂的航天器,这次无人月面采样返回从发射入轨到返回再入,共有11个飞行阶段,一个又一个难题可谓“步步惊心”。月球表面自动采样封装,是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。嫦娥五号如何采集月壤、又有哪些特殊本领将为嫦娥五号探测器的顺利“通关”保驾护航呢?

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自动采样秘笈:钻取+表取两种方式

在月球上取样,说的通俗点,就是在月球上“挖土”。但是,月面环境和我们熟悉的地球大不相同,月球表面白天温度约180℃,夜间能达到零下150℃,昼夜温差约330℃,无人采样器需在150℃以上的月球表面工作。陌生的环境常常会带来新鲜感,但对嫦娥五号来说,这种“新鲜感”却成为无人月面采样返回要过的第一道坎。

据航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍,考虑到样品的种类、数量以及月球表面的不确定性,他们设计了钻取和表取两种方式,两种样品大概比例为1∶3。

怎么钻取?彭兢说:“目前有一些科学研究成果表明,月球正面风暴洋北缘的吕姆克山附近区域的平均月壤厚度大约是4米,但这只是统计意义上的概率,困难的地方在于我们去之前并不知道那里是很坚硬的岩石,还是很松软的月壤。从现在的研究来看,大概率是松软的,现在设计的目标深度是两米左右。”

由于嫦娥五号本身是由上升器、着陆器、返回器和轨道器四部分共同构成,这个重8.2吨的“大家伙”自身比较重,也就决定了它没有机会再携带巡视器,相比嫦娥三号和嫦娥四号,嫦娥五号不能再依靠巡视器完成勘探的工作。

彭兢说:“钻取采样装置正下方的点有哪些特性,我们事先并不知道,万一碰到特别坚硬的岩石,就有可能采不到,当然我们在地面也做了很多工作,某一些坚硬的岩石在特定的条件下,是可以通过钻头将坚硬的岩石表面打碎,取得一些颗粒状的月壤,但是这些有很大的不确定性,这也是我个人认为深空探测里比较有魅力的地方。”

那么,表取又是如何进行?对此,科学家们专门为这种采样方式设置了特定的机械臂。

彭兢表示:“这个机械臂和人手几乎是一样的,在末端,就是腕关节上有两个采样器。一个采样器类似于一个铲子,这个铲子有点像带钩子的铁锹,通过接近月面的时候转动,从月面挖取样品。”彭兢介绍,在表取时将使用两种采样器,除了铲挖式,还有一种末端为花瓣状结构的采样器,它能通过旋转,破碎掉黏结在一起的月壤,从而获得相对较深层的样品。

彭兢说:“现在选定的风暴洋西北部地区带回来的样品,跟之前的样品放在一起,对月球形成演化的过程会有更好的了解。样品有一定的不确定性,需要等到样品返回地球之后,在地面开展了相关的研究工作才能知道。”

据国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍,嫦娥五号随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”,将采取深钻、浅钻,以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约2公斤月壤,取得的样品将用上升器的密封封装装置进行高真空密封,随后带回地球。

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对接秘笈:用上“抱爪式”对接机构

之后,嫦娥五号采样返回的第二道关卡出现了,就是月面起飞。彭兢介绍,从距离地球38万公里以外的月面起飞,不确定性非常大,而能否成功起飞也关系到后面交会对接能否顺利实现,这一环节是交会对接的起点,需要上升器百分百瞄准交会对接的轨道器。

彭兢说:“这个位置可能会存在一定的偏差,不像在地面表面可以精确到米甚至厘米,在月球上现在的指标可能就是百米这个量级,这些误差都会影响到入轨的精度。另外,月球的引力场确实和地球有所不同,所以轨道设计要考虑月球引力场的影响。”

成功从月面起飞后,上升器和轨道器开始交会对接,将样品转移至返回器中。相比此前,空间实验室天宫一号采取的是撞击式交会对接,这一次,按照月球轨道和嫦娥五号的特点,有了全新调整。据航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍,这一次采用了全新、轻型化“抱爪式”对接机构。

查学雷说:“主要的特点是相对很轻,能够保证月球探测器减重的需求;另外一个特点,与地球轨道上非常不一样的是,在月球轨道上进行对接,因为距离地球很远,会有一个时延,对我们是比较大的一个挑战。”

查学雷介绍,采用轻小型化的抱爪式对接机构,能够在21秒的时间里,“稳、准、狠”地完成任务。

关注3

返回秘笈:太空打水漂再入返回地球

与之前不同,这时返回器不但速度快,而且与大气剧烈摩擦、表面温度也更高,如何保证顺利回到地球?这是无人采样返回的最后一道关卡。据裴照宇介绍,团队采用了半弹道弹跳式返回的方式。

裴照宇说:“弹道式就像导弹,导弹打到外太空之后再入地球,不再进行升力控制,是靠惯性落到地面,而我们要进行准确的着陆点的控制,采用了半升力控制的方式。”

什么是跳跃式?就像“打水漂”,相当于返回器要先进一次大气层,利用大气层的阻力使它降速,然后再回来;第二次再入大气的时候,它的速度就会更慢一些适合着陆。

裴照宇表示:“采用跳跃式是为了减少力热的影响,使得再入的时候更安全,这样的方式为未来进行技术积累。”

除了通过“打水漂”,科学家们还在返回器材料上做了文章。据航天科技集团五院嫦娥五号探测器返回器副主任设计师刘大海介绍,返回器使用了蜂窝结构的防热层,约20毫米厚,里面填充的都是新型耐烧蚀材料。除此之外,在耐高温发动机以及推进器的控制方面,进行了创新。

东部法制网,封面新闻 王萌 综合 新华社、央广网、央视等

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