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中国探月工程“三步走”收官:嫦五配胖五,回家之前挖点土

11月17日,长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,垂直转运至发射区。图源@中国探月工程
 
编者按
 
1978年,从月球带回的380千克月岩石样品中,美国拿出了小指尖大小的1克赠送给中国。此后,以地球化学专家欧阳自远为首的中国科学家开始对其中的0.5克样品进行研究,发表了14篇相关研究文章,并推断出这是由阿波罗17号飞船航天员采集来的样品。
 
2020年11月24日凌晨4点半,中国在海南文昌航天发射场月球探测器嫦娥五号发射升空。根据计划,嫦娥五号将在月球采样后,携带约2千克月壤和月岩回到地球。这意味着,中国科学家未来将能够研究自己从月球带回的样本,也标志着中国的探月工程,即“嫦娥工程”,规划的环绕探测、落月探测和采样返回探测(简称“绕、落、回”)的“三步走”发展战略圆满收官。
 
与此同时,探月四期工程已开始实施,其第一个探测器嫦娥四号目前正在月面工作,这一期工程的嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号也在计划中。
 
中国为何要探月?中国探月工程如何诞生?未来将如何走?背后有着怎样的故事?《知识分子》特邀全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩撰文,为读者朋友们详解中国探月工程的来龙去脉。
 
撰文 | 庞之浩(全国空间探测技术首席科学传播专家)
 
责编 | 鞠 强
 
1 早期准备与立项
 
由于探测月球具有重大的科学、技术、政治和经济等意义,所以随着我国经济和技术的发展以及综合国力的提高,我国在开展人造地球卫星和载人航天之后与时俱进,于2004年适时开展了以月球探测为起点的深空探测活动。
 
其实,早在1991年,时任 “863” 计划航天领域首席科学家的闵桂荣院士就提出中国应开展月球探测活动的建议,并成立了“863月球探测课题组”。
 
20世纪90年代中期,在美国提出重返月球,欧洲、俄罗斯、日本和印度等国家也相继提出各自的月球探测计划,世界上掀起第二轮探月热潮时,我国也组织相关专家对开展中国月球探测的必要性、可行性进行过初步的分析与论证,并认为我国已经有能力开展月球的探测,可用有限的资金发射一颗绕月探测器,并有一个简易的月球探测方案。
 
但由于当时对月球探测尚未提出一个完整的发展规划,缺乏长期和有深度的科学探测目标,同时,国家的经济环境刚刚好转,航天基础还不像今天这样扎实,只能做到简单的环月飞行,对国家科技发展贡献有限,尤其是国家当时正在实施载人航天计划,所以这一探月计划未能启动。
 
不过,我国的月球探测研究工作并没有停止。1996年,我国完成了绕月探测器的技术方案研究,1998年,国防科工委正式开始规划论证月球探测工程。
 
2000年,中国科学院研究组完成《中国月球资源探测卫星科学目标》研究报告,提出了现今被广泛接受并作为立项目标的 “绕、落、回” 三步走的设想。同年11月22日,国务院新闻办公室发表《中国的航天》政府白皮书,“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究” 被列入了近期发展的目标。
 
2001年10月,我国月球探测计划项目立项。2004年1月23日,国务院正式批准了月球探测工程一期——绕月探测工程立项。这是我国向深空探测迈出的第一步,对我国的政治、经济和科技的发展具有重要的战略意义。
图1 我国探月标识叫月亮之上,它以中国书法的笔触,抽象地勾勒出一轮圆月,一双脚印踏在其上,圆弧的起笔处自然形成龙头,落笔的飞白由一群和平鸽构成,表达了中国和平利用空间的美好愿望
 
2004年2月25日,经国务院批准,绕月探测工程领导小组成立并召开第一次会议,会议通过了《绕月探测工程研制总要求》,同时宣布我国绕月探测工程于当日起正式实施,并将绕月探测工程正式命名为 “嫦娥工程”。
 
深空探测能够帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,认识空间现象和地球自然系统之间的关系,并为人类今后开拓更为广阔的疆域打下基础,是了解地球、太阳系和宇宙,进而考察、勘探和驻留在太阳系内其他天体的第一步。
 
我国的深空探测是从月球探测开始的,这是因为月球是离地球最近的一个星球,又蕴含着丰富的资源和能源,所以从技术性、科学性和经济性等方面讲,在深空探测领域先探测月球是符合科学规律的。
 
2 三步走发展战略
 
我国月球探测工程被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》十六个重大专项之一。作为一项国家战略性科技工程,月球探测工程将服从和服务于科教兴国战略和可持续发展战略,以满足科学、技术、政治、经济和社会发展的综合需求为目的,把推进科学技术进步的需求放在首位,力求发挥更大的作用。整个工程规划贯彻 “有所为、有所不为” 的方针,选择有限目标,突出重点,集中力量,力求在关键领域取得突破,持续发展,为深空探测活动奠定坚实的基础。
 
通过探月工程的实施,突破无人月球探测的主要关键技术,实现对月球的环绕、着陆、巡视探测和采样返回,形成空间探测器、深空测控网和运载火箭等一系列功能单元和自主创新的月球科研成果,具备开展无人月球探测的基本能力;初步建立中国深空探测的科学、技术和工程体系及创新团队,为空间科学研究和深空探测的可持续发展奠定基础。
 
依据循序渐进、分布实施、不断跨越的原则,经过10年酝酿,作为国家重大科技专项的探月工程分为“绕、落、回”三个发展阶段即将完成。
 
第一阶段为绕月探测,即在2007年发射绕月探测器。主要任务包括:研制和发射绕月探测器;突破绕月探测关键技术,对月球地形、部分元素及物质成分、月壤特性等进行综合探测;初步建立探月系统。这一阶段要掌握地月飞行、远距离测控和通信、绕月飞行、月球遥测与分析等技术,并建立我国月球探测航天工程初步系统。它原定通过嫦娥一号和嫦娥二号绕月探测器完成,其中嫦娥二号是嫦娥一号的备份。后来由于嫦娥一号表现出色,嫦娥二号改为第二阶段的技术先导星。
 
第二阶段为落月探测,即在2013年发射携带月球车的落月探测器。其主要任务是:突破月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术;研制和发射月球软着陆探测器和巡视探测器,实现月球软着陆和巡视探测,对着陆区地形地貌、地质构造和物质成分等进行探测,并开展月基天文观测。这一阶段主要掌握月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信和月夜生存等关键技术,为以后建立月球基地的选址提供月面的化学和物理参数。它原定通过嫦娥三号和嫦娥四号落月探测器完成,其中嫦娥四号是嫦娥三号的备份,后来由于嫦娥三号表现出色,嫦娥四号改为完成探月四期任务,并增加发射了嫦娥二号技术先导星,试验嫦娥三号的六大关键技术和进一步勘查嫦娥三号的着陆地点等。
 
第三阶段为采样返回探测,即在2020年发射月球采样返回器到月球表面特定区域软着陆并采样,然后将月球样品带回地球,在实验室进行详细研究。其主要任务是:突破采样返回探测器小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等技术,在现场分析取样的基础上,采集关键性样品返回地球,进行实验室分析研究;深化对地月系统的起源与演化的认识。这一阶段主要掌握在月面自动采样、从月面起飞、在月球轨道上进行无人交会对接、以接近第二宇宙速度返回地球等关键技术。它原定通过嫦娥五号和嫦娥六号采样返回器完成,其中嫦娥六号是嫦娥五号的备份,后来根据需要,嫦娥六号改为完成探月四期任务,并增加发射了嫦娥五号再入返回飞行试验器(简称嫦娥五号T1),用于突破和掌握嫦娥五号以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。
 
“嫦娥工程” 的每一步都是对前一步的深化,并为下一步奠定基础。从 “绕、落、回” 三期工程的科学目标看,它们有明显的递进关系:环绕探测主要对月球进行全球性的综合普查;落月探测主要是对着陆区附近进行区域性详查,它包括原位探测和巡视探测,比较复杂;采样返回探测主要是对月球进行区域性精查,因为科学家可在实验室里对采集的月球样品进行详细研究,但最为复杂,难度极大。
 
我国 “嫦娥工程” 既参考了以往国际探月活动的经验,又具有我们自己的特色,始终围绕推动中国高新技术领域 “原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新” 的目标制订计划并组织实施。
 
在航天科技方面,“嫦娥工程” 可逐步实现多项重大突破,首次到达地外天体,首次着陆在地外星球上,首次从地外星球拿回样品。这些技术的突破能推进航天工程系统集成、深空测控通信、新型运载火箭和航天发射等航天技术跨越式发展,带动信息技术、新能源技术、新材料技术、微机电技术和遥测科学等其他高新技术的发展。
 
在空间科学方面,通过首次对地球以外的星体和空间环境进行近距离和接触式探测,能使我国对于空间科学的认识大大深化,为我国的天体物理学、空间物理学与材料科学的研究建立新的平台,促进这些学科的创新和发展,并带动更多基础学科间的交叉、渗透与共同发展。
 
该工程还可促进我国经济的可持续发展。前些年,我国经济高速发展,一定程度上是以高能耗、高污染为代价的。月球探测工程对高新科技的带动能回馈于经济,而以高新技术为动力的经济是低能耗、低污染、高效率的,符合可持续发展的方向。
 
“嫦娥工程” 也可开拓中国航天活动的新领域;对提高综合国力,增强民族凝聚力具有重大作用;有利于在外空事务和未来开发月球中维护国家权益;促进中国高技术的全面发展;促进中国基础科学的创新和发展;参与开发利用月球资源,促进人类社会的可持续发展;推进中国航天领域的国际合作。
 
3 竖起第三里程碑
 
我国探月一期工程,即绕月探测任务是通过发射嫦娥一号绕月探测器来实现的,标志着中国航天向深空探测进发的开始。它历经方案、初样、正样和发射实施四个阶段,由绕月探测器、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统组成。现已顺利完成,取得丰硕成果。
图2 绕月探测工程的5大系统:(1)月球探测器系统;(2)运载火箭系统;(3)发射场系统;(4)测控通信系统;(5)地面应用系统
 
探月一期工程有五大工程目标:研制和发射中国第一颗绕月探测器;初步掌握绕月探测基本技术;首次开展月球科学探测;初步构建月球探测航天工程系统;为月球探测后续工程积累经验。
 
探月一期工程有四大科学目标:获取全月面三维影像,这对于更好地了解月球的地质构造和演化历史有着重要的意义;对月球表面有用元素进行探测,初步编制各元素的月面分布图;探测月壤特性,获取月壤厚度的全月分布特征,研究月表年龄及演化,估算月壤中氦-3的分布和资源量;探测地月空间环境,研究太阳活动对地月空间环境的影响。
 
2007年10月24日,我国第1个月球探测器—— 嫦娥一号绕月探测器由长征-3A火箭送入太空。它于2007年11月20日传回所拍摄的第1幅月面图像,从而竖起了继东方红一号人造地球卫星、神舟五号载人飞船之后,我国航天的第三个里程碑。
图3 嫦娥一号进行光照试验
 
嫦娥一号运行在距月球表面约200千米高的极轨道上。与人造地球卫星相比,嫦娥一号采用了较多新技术,例如轨道设计、三体定向、温度控制和紫外敏感器等 。
图4 嫦娥一号的飞行轨道
 
嫦娥一号搭载了8种科学仪器:CCD立体相机用于获取月球表面三维立体图像,分辨率120米;激光高度计用于测量月球表面到嫦娥一号的高度数据;干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪分别探测用于月球表面不同物质的化学元素;在世界上首次使用的微波探测仪用于测量月球的微波辐射特征,从而反演月壤的厚度;太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器用于探测从地球至月球的空间环境。
 
2008年7月1日,嫦娥一号完成了全月球影像数据的获取;2008年10月24日,它实现了在轨1年寿命,完成了各项任务。此后,科研人员又用嫦娥一号开展了变轨等10余项验证试验。为了给探月二期工程 “探路”,积累落月过程控制和轨道测定方面的经验,嫦娥一号于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域,成功完成硬着陆。
 
嫦娥一号累计飞行494天,其中环月482天,比原计划多飞117天;飞行期间经历3次月食;传回1.37TB有效科学探测数据;获取了全月球影像图、月表化学元素分布、月表矿物含量、月壤分布和近月空间环境等一批科学研究成果,填补了中国在月球探测领域的空白。
图5 中国国家航天局于2007年11月26日正式公布的嫦娥一号传回的第1幅月面图像。
 
例如,嫦娥一号的CCD立体相机首次实现了月球表面的100%覆盖,使中国制作的 “全月球影像图” 在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均在国际上处于先进水平。科研人员还提出了月球岩浆洋结晶年龄为39.2亿年和月球东海盆地倾斜撞击成因的新观点等。
 
4 落月探测两姐妹
 
我国探月二期工程,即落月探测任务是通过先后发射嫦娥二号和嫦娥三号月球探测器来实现的,现已顺利完成,取得丰硕成果。
 
(1)开路先锋
 
由于落月探测要突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信和月夜生存等一系列关键技术,技术跨度和实施难度较大,因此,我国专家在经过反复论证后决定,为了降低落月探测的风险,在发射我国首个落月探测器嫦娥三号之前,先于2010年10月1日发射嫦娥二号绕月探测器,来突破嫦娥三号的部分关键技术。
 
嫦娥二号运行在距月球表面约100千米高的极轨道上,设计寿命半年,分辨率7米,主要完成两大任务:一是对新技术进行试验验证,对未来的预选着陆区进行高分辨率成像;二是获得更加丰富和准确的探测数据,深化对月球的科学认知。
图6 嫦娥二号器体外面用金箔保温
 
嫦娥二号的科学目标与嫦娥一号一样,但全面升级了有效载荷,且运行轨道低,因此所获得的的数据精度更高。
 
与嫦娥一号相比,嫦娥二号实现了六个方面的技术创新与突破,它也是嫦娥二号的工程目标:突破了运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道的发射技术;首次试验了X频道深空测控技术,初步验证了深空测控体制;首次验证了100千米月球轨道捕获技术;首次验证了近月点15千米、远月点100千米轨道机动与快速测定轨技术;首次试验了小型降落相机、监视相机、高速数据传输等技术;通过 “俯冲”,即变轨对嫦娥三号预选着陆区进行高分辨率成像,分辨率优于1.5米。
图7 嫦娥二号上的发动机监视相机在近月制动时对月面成像(距月球100千米)。
 
嫦娥二号工程总设计师吴伟仁把嫦娥二号任务归纳为具有 “快、近、精、多” 四大特点。“快” 是指到达月球的时间缩短;“近”是指月球探测器的绕月轨道从嫦娥一号的200千米降低到100千米,最近点只有15千米;“精” 是指测量精度提高,运行在100千米轨道时相机分辨率7米,运行在15千米轨道时相机分辨率1米;“多” 是指试验多,要进行轨道机动和使用降落相机等多项试验。
 
2011年4月1日,嫦娥二号月球探测器半年设计寿命期满。此后,它开展了多项拓展试验,尤其是它离开了月球,于2011年8月25日在世界上首次实现了从月球轨道出发,受控准确进入日地拉格朗日2点环绕轨道,使我国成为世界上第3个造访拉格朗日2点的国家和组织,并开展了日地空间环境探测。
图8 嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星
 
2012年6月1日,嫦娥二号又成功变轨,飞往图塔蒂斯小行星。同年12月13日,嫦娥二号以10.73千米/秒的相对速度,与图塔蒂斯小行星由远及近 “擦肩而过”,首次实现我国对小行星的飞越探测,使我国成为世界上第4个探测小行星的国家。
 
嫦娥二号开创了中国航天通过一次发射开展月球、拉格朗日2点、小行星等多目标多任务探测的先河。
 
现在,嫦娥二号已经是太阳的人造小行星了,围绕太阳做椭圆轨道运行,测控通信的最远距离达到近1亿千米时仍能收到信号,预计在2020年前后回到地球附近。嫦娥二号很好地完成了嫦娥三号的工程准备,为嫦娥三号选择了很好的着陆点。
 
(2)闯过三关
 
嫦娥三号是我国探月工程二期的主任务。2013年12月2日,我国成功把嫦娥三号落月探测器直接送入地月转移轨道。12月14日,嫦娥三号在月面软着陆,首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。12月15日,嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车互相拍照,使我国成为世界第三个掌握落月探测技术的国家。
 
其工程目标有三个:一是突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术;二是研制月面软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站;三是建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程方法。
 
其科学目标也是三个:一是调查着陆区与巡视区月表地形地貌与地质构造;二是调查着陆区与巡视区月表物质成分、月球内部结构以及可利用资源;三是探测地球等离子体层以及开展月基光学天文观测。为此,嫦娥三号在世界上首次装载了月基光学望远镜、极紫外相机和测月雷达三种科学载荷。
图9 进行热真空试验的嫦娥三号着陆器、玉兔号月球车组合体
 
嫦娥三号由着陆器和巡视器(即玉兔号月球车)组成,所以发射嫦娥三号实际上是发射了2个月球探测器,能分别开展就位探测和巡视探测,这在国际上也是首次。
 
为完成工程任务,嫦娥三号必须闯过三大难关,即着陆关、巡视关和长月夜生存关。
 
嫦娥三号着陆器设计寿命12个月,着陆区为月球虹湾地区。驮着玉兔号月球车的嫦娥三号着陆器在落月时使用1500~7500牛变推力发动机(国内最大的变推力发动机)和降落相机等设备,克服了反推减速、自主控制和着陆缓冲三大技术难点,于12月14日安全落在了月球虹湾以东区域,一共耗时近700秒(又称黑色700秒)。它落在了月球虹湾以东区域,而且降落很平坦,只有1°~2°倾斜,远远低于小于15°倾斜的要求。我国采用的悬停、避障的智能着陆技术具有国际先进水平。
图10 嫦娥三号利用发动机反推减速在月面软着陆过程的示意图
 
嫦娥一号总设计师叶培建院士在接受我的采访时介绍,着陆器的4条着陆腿的设计也很重要,研制中也曾经历了多次断裂,最后成功了,看起来都很简单,过程却是艰辛。叶院士回忆说:“非常可惜的是着陆腿的设计师陈天智去世了,倒在了工作岗位上。他从小立志要一心干航天,是三清学子(清华大学本硕博毕业),日本留学的博士后,很能干,很优秀。一讲起他,我都是要掉眼泪的。我为他写了副挽联:清华学子,出类拔萃,献身航天事业;大功未成,将星西去,佑我嫦娥落月。他父母收藏了这副挽联,并捎来口信:没有什么其他要求,就是嫦娥三号成功以后,希望体现一下孩子做的工作。嫦娥三号成功后,由探月中心颁发了一个证书,体现了他在这个工程中所作的贡献。”
 
此前,国外的月球着陆器多为盲降,所以成功率不高。即使在2019年,以色列和印度各自的首个落月探测器也都着陆失败。所以说落月探测非常不易。
 
着陆后,着陆器携带的4种科学载荷先后开始就位探测。其中首次使用的极紫外相机利用月球具有真空环境、自转速度慢等优势,对地球周围等离子体层的整体变化进行长达一年的全方位观测,这有助于了解太阳和地球的相互关系,提高我国空间环境监测和预报能力。首次使用的月基光学望远主要在近紫外波段对重要天体的光变进行长期连续监测,由于地球上有大气层,很多地外天体发出的电磁波被地球大气所吸收,其中包括紫外波段的光,而月球没有大气。
 
玉兔号月球车的质量为137千克,可6轮独立驱动,4轮独立转向,具有爬20°坡、越20厘米高障碍的自主越障和避障能力,移动速度为200米/小时。它首次靠 “视觉” 来完成定位工作,当遇到超过20°的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑时,能够自主判断,安全避让。
 
在脱离嫦娥三号着陆器之后,玉兔号用携带的4种科学载荷先后开始巡视勘察,其中首次使用的测月雷达装在月球车底部,可用于在巡视过程中直接探测30米内月壤结构和100米深的浅层月壳结构。
 
月球的一天相当于大约28个地球日,因此月球的一个夜晚相当于地球上的14天。月球夜晚的温度会降到-180℃左右,因此嫦娥三号在落月后面临的最大难关就是长月夜生存。为此,嫦娥三号首次采用了同位素热源以及导热流体回路、隔热组件和电加热器等,这相当于给探测器 “盖被子”、“生炉子” 和 “开空调”,以确保舱内温度控制在-50℃~50℃之间,使探测器系统能顺利度过月夜,然后被唤醒工作。
 
航天具有高技术、高风险、高投入和高产出的特点,谁都不能例外。设计寿命3个月的玉兔号月球车运行了1个多月后就无法移动了。叶培建院士认为这个故障的原因是在设计上有两处做得不到位:一是对月球环境有认识,但认识不到位;二是对可能出现的故障处理措施不到位。比较科学的解释是:①由于月球车要轻小型化,所以设计得高度集成,相应部分没有备份;②所有轮子的驱动机构控制电路都在一块板子上,现在看有可能是一个驱动电路的电源有短路现象。根据地面的模拟试验和推测,由于轻小型化,导线很细,可能是在它行走过程中驶过一块大石头时,有条导线表皮被石头割破了,导线与月球车支撑体短路,这个原因可能性最大。但由于玉兔号在月面上,难以验证,我们在后续设计时已充分考虑了这点,并采取了有效措施来避免这个问题(经过改进的玉兔二号月球车现已超期服役)。航天探索有很多未知需要人类不断探寻,有很多问题需要重新认识。
图11 根据玉兔号月球车的车轮痕迹、深浅可以推断土壤的密度、孔隙、摩擦系数等性质
 
2016年1月4日,嫦娥三号着陆区的4项月球地理实体命名获得国际天文学联合会正式批准,分别是广寒宫、紫微、天市和太微。至此,以中国元素命名的月球地理实体达到22个。
 
至今,嫦娥三号开展了 “测月、巡天、观地” 的科学探测,取得了大量科学数据。同时,研究人员在月球浅表层地质结构、月基天文观测以及地球等离子体观测等方面取得了一系列创新性科学研究成果。它把我国探月一期工程的 “表面探测” 引申至 “内部探测”。
 
截至2020年10月,嫦娥三号着陆器仍在月面工作,是目前世界上在月面工作时间最长的航天器。
 
5 突破四大新技术
 
我国探月三期工程,即月球采样返回探测是通过发射嫦娥五号T1和嫦娥五号来实现的,嫦娥五号T1已顺利完成,嫦娥五号今天也踏上了飞往月球的旅程。
 
工程目标有3项:一是要突破一系列关键技术,提升我国航天技术水平;二是要实现首次地外天体自动采样返回,推进我国科学技术重大跨越;三是要完善探月工程体系,为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。
 
科学目标有2项:一是着陆区的现场调查和分析;二是月球样品的分析与研究。它将以月球样品和现场数据的比对研究为重点。为此,配置了降落相机、全景相机、月球矿物光谱分析仪和月壤结构探测仪4台科学探测载荷,从而可以实现可见光、红外、微波等多谱段探测。
 
(1)号称小飞哥
 
嫦娥五号将执行月球采样返回任务,即用返回舱把月球上的2千克样品带回地球,由科学家在实验室里进行细致研究。不过,与返回式卫星、宇宙飞船的返回舱以大约7.9千米/秒的第一宇宙速度返回不同,嫦娥五号返回器是以接近第二宇宙速度(11千米/秒)的速度返回再入大气层。
图12 嫦娥五号T1的返回器与服务舱分离后采用半弹道跳跃式再入返回示意图
 
这项返回技术十分复杂,无法通过地面模拟得到充分验证,是嫦娥五号月面采样、月面上升、月球轨道交会对接、再入返回四大关键技术中最难的一项,风险很大。因为返回器再入速度提高一倍,再入热量将提高8~9倍,试验容易被烧毁。
 
为了降低工程风险,确保嫦娥五号采样返回任务的精确完成,我国决定先发射号称 “小飞哥” 的嫦娥五号T1空间飞行器,以掌握返回器超高速再入返回的关键技术。
 
2014年10月24日,嫦娥五号T1升空。它先飞抵月球附近,然后自动返回地球,最终其返回器于同年11月1日采用半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层,在内蒙古预定区域顺利着陆。
 
这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球,使我国成为继苏联、美国之后,世界第三个成功回收绕月航天器的国家,表明我国已突破和掌握了航天器超高速再入返回的关键技术。
 
所谓半弹道跳跃式再入大气层是指航天器进入大气层后,依靠升力再次冲出大气层,以减速耗能,然后再次进入大气层。换句话说就是采用“打水漂”的方式再入大气层,在大气层中 “一出一入”。这样可延长返回器在大气层内飞行的轨迹,消耗掉部分能量,减小着陆速度。考虑到我国内陆着陆场等各方因素,为实现长航程、低过载的返回,所以采用这种方式。
图13 由服务舱(下)和返回器(上)组成的嫦娥五号T1在轨飞行示意图
 
嫦娥五号T1的返回舱再入大气层到距地球60千米时又再跳回到大气层外,接着再次返回大气层,这样不仅可以降能减速,也有利于着陆点调整。这种返回方式也是首次试验,它的开伞点距中心误差不到600米,风速2千米,最后误差是2.6千米,这是很了不起的。
 
嫦娥五号T1由服务舱和返回器两部分组成,总重量为2吨多,返回器安装在服务舱上部。其中的返回器用钟罩侧壁加球冠大底构型,重量约330千克,具备返回着陆功能,与探月三期正式任务中的返回器基本一致。
 
(2)似变形金刚
 
嫦娥五号月球采样返回器是我国探月工程三期的主任务,2011年5月立项。它由上升器、着陆器、轨道器和返回器四部分像 “葫芦娃” 一样 “串” 在一起,计划实现月面自动采样返回,完成探月工程的重大跨越—— 带回2千克月球样品,助力深化月球成因和演化历史等科学研究。这是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。
图14 嫦娥五号探测器任务流程
 
从发射到返回的23天时间里,总共有发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收共11个重大飞行阶段,其中包括23次重大的轨道控制和6次重大分离控制,以及动力下降和月面起飞、交会对接等很多风险比较高的项目,设计相当精妙复杂,类似变形金刚。整个飞行过程大致如下。
 
嫦娥五号被送到月球轨道后将两两分离,即轨道器-返回器(简称轨返)组合体留在轨道,着陆器-上升器(简称着上)组合体在月面上降落。
图15 嫦娥五号探测器
 
着陆后,着陆器用两个各自具有铲子和钻头功能的机械手分别进行月球表面采样和月球深层采样,并且可以在月球上打出2米深的洞,钻取的月壤必须原原本本,不能破坏原有的层次结构。采样之后,在月球高真空的条件下包装密封,不能有任何污染,还要经得起返回时的各种恶劣环境。
 
接着,携带月球样品的上升器从月面起飞,与轨返组合体交会对接,把样品转移到返回器后上升器与轨返组合体分离。
 
随后,轨返组合体踏上归途,二者在以接近第二宇宙速度飞到距地球几千千米时分离。
 
最终,返回器采用半弹道跳跃再入方式再入地球大气层,落至预定的着陆场。
图16 嫦娥五号上升器离开月面示意图
 
在实施过程中,要克服许多从未遇到过困难。例如:
 
着陆器上的采样装置要在1/6地球重力环境中在月面打钻,铲取月壤,并把采集到的月球样品无污染封装到上升器内的容器里。据叶培建院士介绍,“阿波罗” 飞船载人登月时就发现月球上有水,但带回的样本密封出现了问题,搞不清是在月球上有水还是在地球上被污染了。所以,在低重力的环境下无人采样和封装非常不易。
 
此后,上升器要从着陆器上起飞。如何保证上升器在极短的时间内保持稳态上升是一大难点。由于上升器的火焰喷射之后会碰到着陆器,可能产生干扰上升器的力,因此,如何对上升器进行良好的操控是一大难点。另外,着陆器不可能很平稳,无法像地球上的发射塔架那样配置火箭导流槽,因此上升器要克服月面起飞轨道设计、月面起飞测控和发动机羽流导流等困难。
 
上升器进入月球轨道后要与轨返组合体对接,并把样品转移到返回器中。在月球轨道进行无人交会对接这在世界上是第一次,对接精度要求更高,同时还需要研制全新的轻量化对接系统。在地球轨道上进行交会对接,一般是 “小追大”,如 “神舟” 飞船追 “天宫”;而在月球轨道上进行交会对接,轨返组合体追上升器是“大追小”,所以难度更大,稍微控制不好就会偏离到太空中。
 
最后,返回器携带样品返回地球时速度极高,摩擦更大,因此需要一个安全、稳妥的返回路线,这对返回器的气动外形、防热材料以及控制都提出了新的挑战。
图17 嫦娥五号返回器返回地球示意图
 
另外,嫦娥五号要以接近第二宇宙速度返回地球,并在我国的可控范围内,这也是需要突破的关键技术之一。要控制好组合体的姿态,如果开始的出发点控制得不好,着陆点就可能偏离得过远进而无法找到。
 
总之,完成嫦娥五号任务,要突破四大新技术,从而实现我国开展航天活动以来四个 “首次”:首次在月面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
 
值得关注的是,此前只有苏联在20世纪70年代进行过3次无人月球采样返回,但总共只带回330克月球样品。这是由于苏联当时没有掌握月球轨道无人交会对接技术,所以其3次无人月球采样任务采用的都是月面起飞直接返回地球的方案,这样其上升器需要克服返回舱与大量燃料死重,因此极大压缩了采样重量。而嫦娥五号这次采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤,上升器只需少量燃料,且没有返回舱死重,因此采样的月球样品重量呈几何级提高。
 
6 四期工程
 
现任 “嫦娥” 系列各型号总指挥、总设计师顾问的叶培建院士指出,探月工程当初的 “三步走” 战略定得很好,但走完这三步并不意味着探月工程的结束。
 
2019年1月14日,我国宣布了探月四期任务,并把嫦娥四号作为探月四期首次任务,后续还有三次任务。嫦娥四号已于2019年初在月球背面着陆并开展工作。
图18 月球背面有更多的陨石坑
 
嫦娥六号计划在月球南极进行采样返回。到底是月背还是正面,要根据嫦娥五号的采样情况来确定。
 
嫦娥七号计划在月球南极着陆,对月球的地形地貌、物质成份、空间环境进行一次综合探测任务。
 
嫦娥八号除了继续进行科学探测试验以外,还要进行一些关键技术的月面试验。
 
嫦娥四号原来是嫦娥三号的备份,但嫦娥三号成功后,嫦娥四号该干什么,刚开始专家意见并不一致,为此论证争吵了2年。分歧的核心是落在月球正面还是背面。刚开始,不少专家认为还是应该落在正面,比较牢靠,不会节外生枝。
图19 试验中的嫦娥四号
 
2019年获 “国家荣誉称号” 的叶培建院士当时则主张落到月球背面。有一次在国防科工局开会,已经准备写会议纪要,确定要落在月球正面,但叶培建院士说:“我服从上级决定,只要定了我一定努力做好。但我不同意落在正面,我们已经落到过正面了,再去落一次有多大意思?” 经过多次讨论,最后决定:落到月球背面。成功了,自然是一大亮点;不成功,人类第一次也可以原谅。先不要讲什么科学意义、技术带动,单从逻辑学上看,落到月球背面的科学意义就是一句话:背面没去过!
 
那么,在月球背面进行落月探测有什么意义呢?由于月球背面比正面保留着更为原始的状态,所以对月球背面的环境、表面、浅深层和深层进行详查,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。另外,因为在地球上永远看不到月球背面,即月球背面可屏蔽来自地球和地球轨道的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到在地球和地球轨道无法分辨的宇宙中的低频射电信号,有望取得重大天文学成果。
 
然而,正是由于在地球上永远看不到月球的背面,所以在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信。为此,我国创造性地先把 “鹊桥” 月球中继星送入到了地月拉格朗日2点的晕轨道,这在世界上是首次。在这个轨道上运行的 “鹊桥” 能同时看到地球和月球背面,从而可为此后落在月球背面的嫦娥四号与地球站之间提供通信链路,传输测控通信信号和科学数据。
 
嫦娥四号的工程目标有两个:一是研制、发射月球中继通信卫星,实现国际首次地月拉格朗日2点的测控及中继通信;二是研制、发射月球着陆器和巡视器,实现国际上首次月球背面软着陆和巡视探测。
 
其科学目标有三个:一是对月球背面的环境进行研究;二是对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究;三是用低频射电探测仪探测宇宙天体。
图20 嫦娥四号的通信链路
 
2018年5月21日,我国发射了首颗月球中继星 “鹊桥”。6月14日,“鹊桥” 进入地月拉格朗日2点的晕轨道。同年12月8日,我国成功发射了嫦娥四号落月探测器,它于2019年1月3日在月球背面的冯·卡门撞击坑完成软着陆,这在世界上也是第一次。
 
作为嫦娥三号的备份,嫦娥四号仍是由着陆器和巡视器(玉兔二号月球车)组成,但因为嫦娥四号与嫦娥三号的科学目标差异很大,因此两者所装载的科学载荷有明显变化,更换了部分科学载荷,其中有些是来自其他国家的载荷。例如:
 
在嫦娥四号着陆器上装载了德国的月表中子与辐射剂量探测仪。它能测量能量中性粒子辐射和着陆器附近月壤中的相关物质含量,探测着陆区的辐射剂量,分析月球远侧的辐射环境,为未来的载人登月航天员的危险度进行前期评估,提供相应辐射防护的依据。
 
在玉兔二号月球车上装载了瑞典的中性原子探测仪,这将是国际上首次在月表开展能量中性原子探测。它对于研究太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要的意义。
图21 两器分离后,月兔二号在月背留下了人类探测器的第一行“脚印”
 
嫦娥四号着陆器重3.78吨,设计寿命6个月。其上的有效载荷与嫦娥三号着陆器上的类似,仍装有降落相机、地形地貌相机,但增加了国内新研发的低频射电频谱仪以及德国的月表中子与辐射剂量探测仪,去掉了嫦娥三号的月基光学望远镜、极紫外相机。装有3根5米长的低频射电频谱仪天线,是嫦娥四号着陆器与嫦娥三号着陆器在外形上最显著的区别。
 
玉兔二号月球车重135千克,设计寿命3个月,可以爬20°坡,跨越20厘米的障碍。其上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪,但增加了瑞典的中性原子探测仪,去掉了嫦娥三号的粒子激发X射线谱仪。因此,玉兔二号月球车也就不需要机器臂了,从而比玉兔号月球车轻了2千克,是世界探月史上质量最小的月球车。
图22 嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(圆柱投影)
 
另外,嫦娥四号的着陆方式与工作状态跟嫦娥三号有很大区别,性能上也有很大提升。例如,由于嫦娥三号的着陆区相当于在华北平原着陆,而嫦娥四号的着陆区相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆,所以嫦娥三号是以弧形轨迹缓慢着陆,而嫦娥四号采取近乎垂直的着陆方式。嫦娥三号在长月夜-180℃的环境中是不能工作的,但嫦娥四号则采用了新的能源供给方式—— 同位素温差发电与热电综合利用技术,以保证其度过寒冷漫长的月夜,同时正常开展探测工作,在国内首次实测月夜期间浅层月壤的温度。
图23 嫦娥三号与嫦娥四号动力下降过程对比
 
嫦娥四号已经或正在实现三大 “壮举”:首次实现了人类探测器造访月球背面;首次实现了人类航天器在地月拉格朗日2点对地月中继通信;正为科学工作者提供月球背面空间科学研究平台,获得一批重大的原创性科学研究成果。
 
嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车现已分别于11月22日12时和3时10分完成第24月昼工作,进入月夜休眠。截至11月23日,嫦娥四号已在月球背面工作690个地球日,玉兔二号月球车累积行驶里程589.6米。它们都超期服役,并取得了以下一系列丰硕的成果。
 
首次通过原位探测直接得到月球深部物质组成,揭示月球背面特别是南极艾特肯盆地复杂的撞击历史,对月壤的形成与演化模型提供关键证据,为日后南极着陆和巡视探测选址等提供重要参考。
图24 玉兔二号月球车拍摄的月球背面
 
首次揭开月球背面地下结构的神秘面纱,极大地提高我们对月球撞击和火山活动历史的理解,为月球背面地质演化研究带来新的启示。
 
证实初级银河宇宙射线撞击月球表面,产生反照质子。这些成果为开展太阳风与月表微观相互作用研究提供重要支撑,促进对月表辐射风险的认知,为未来月球航天员所受月表辐射危害估算及辐射防护设计提供重要参考。
 
在月球背面首次成功开展低频射电天文观测,获得大量有效观测数据。初步获取40MHz频率以下的月背着陆区电磁环境本底频谱和低频射电三分量时变波形数据,对于研究太阳低频射电特征和月表低频射电环境具有重要科学意义。
图25 美国“月球勘测轨道器”拍摄到在月球背面着陆的嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车
 
在不远的未来,中国将继续推进探月工程,探测月球两极,建立月球科研站,并终将实现载人登月,圆中国人千百年来的梦想。
 
注:本文图片均由作者提供。



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