嫦五揽月揭秘丨嫦娥五号如何实现“九天摘月”?

  有业内专家表示,嫦娥五号月球采样返回任务,完全可以看做无人版的“阿波罗登月”。它是我国第一个地外取样返回的航天项目,将把月球上的土壤和岩石带回地球,堪称真正意义上的“九天摘月”。那么,嫦娥五号是如何实现“九天摘月”的?

  上升器、轨道器和着陆器 配套大小77台发动机

  据六院专家介绍,“嫦娥五号”主要由四个部分组成,分别是:着陆器、上升器、轨道器和返回器。为方便后续工作,这四个器又两两结合,形成了两个“团队”,一个负责“摘月”,一个负责“返地”。

  其中,上升器、轨道器和着陆器分别配套了六院研制生产的三套推进系统,共计77台发动机。上升器推进子系统,配套1台3000N发动机和20台姿控发动机;轨道器推进子系统,配套1台3000N发动机和38台姿控发动机;着陆器推进子系统,配套1台7500N变推力发动机和16台姿控发动机。这些发动机为探测器每一阶段任务提供着主要动力,以及俯仰、偏航、滚动的姿态指向控制力矩和轨道调整动力。

  进入环月轨道后 四器将分成“摘月”、“返地”两团队

  嫦娥五号执行任务的整个过程简单来说就是:进入地月轨道,轨道修正,近月制动进而被月球引力捕获,月面软着陆,采样,上升,对接和样品交接,携样返回地球。那么,推进系统具体是怎么发挥作用的?

  专家介绍,当“嫦娥五号”进入地月轨道后,轨道器上的推进子系统开始工作,对探测器进行轨道标定和中途修正,就像在大海中航行,推进子系统始终就像船帆,让探测器保持着正确的航向和航姿。

  几天后,“嫦娥五号”顺利抵达月球附近,轨道器上的3000N发动机将通过两次长时间点火,完成近月制动。并与38台姿控发动机一起,合力确保探测器处于正确的轨道和姿态指向。当“嫦娥五号”的飞行速度降到一定程度后,会被月球引力捕获,开始环月飞行。

  在环月飞行中,“摘月团队”和“返地团队”会分离开来。分离后,推进分系统会努力保持两个“团队”预先设定的飞行姿态,确保后续任务正常开展。

  这时,着陆器推进子系统的7500N变推力发动机将通过工作,降低“摘月团队”的飞行速度,16台姿控发动机维持其正常姿态,使其以足够小的速度实现月面软着陆。

  同时,轨道器推进子系统也将时刻保持“返地团队”在环月轨道的正确航向,让其完成拍照和着陆点选址工作。等时机合适,“摘月团队”再慢慢降低速度,缓缓降落在月面指定位置。

  为什么不采用地面指挥?因为从月球单边返回一条信息,需要1.3秒,地面收到后再经过几秒时间判断思考,指令传回地球,又是1.3秒,很浪费时间。所以,在“嫦娥三号”执行任务时,科学家就通过实践证明,人工智能自主决策能够实现让探测器的四条腿落在一个小平面上,安全着陆。即便面对“嫦娥四号”月背着陆点山多的特点,人工智能也顺利通过视频获得了月面数据,通过自主决策圆满完成了落月任务。因此可以说,现在的“嫦娥五号”已经有了自己的眼睛和大脑,具有自主行动能力。

  上升器月面起飞后 在环月轨道进行自主交会对接

  顺利落月后,“摘月团队”开启挖土取样任务。这期间推进子系统将不再工作,但发动机要默默承受月表严苛的温度环境。

  当任务顺利完成后,就要开始月面起飞了。这时,“摘月团队”这对组合也不得不单飞了:上升器推进子系统开始工作,3000N发动机提供起飞的主要动力,20台姿控发动机维持姿态指向,上升器带着月壤,以着陆器为发射平台直接起飞。当上升到一定高度,成功突破月球第一宇宙速度后,上升器就会离开月面,进入环月轨道。而着陆器则留在了月面,“陪伴”还在执行任务的“嫦娥四号”。

  由于上升器从地球出发时并未携带返回地球所用的全部燃料,所以它在月面起飞并入轨之后,只能进行短距离飞行。在上升器进入环月轨道后,轨道器推进子系统会提供主要动力,让“返地团队”能主动与其交会对接,从而将月壤转移到返回器上。

  这可是一次绝对的自主无人对接,针尖对针尖,要求相当精准。

  返回器通过大气流减速 通过二次再入技术回到地球

  当月壤成功转移后,上升器也就完成了使命,与“返地团队”分离,留在环月轨道上。而顺利接棒的“返地团队”抓住窗口时期,在轨道器上的3000N发动机长程点火作用下,获得较大的速度增量,从而达到第二宇宙速度,顺利脱离月球轨道,实现月地轨道转移,开启返回之旅。这一过程中,轨道器上的38台姿控发动机也将一路精准护航,使“返地团队”始终保持正确的姿态指向。

  最终,“返地团队”携带月壤以第二宇宙速度回到距离地球几千米的高度,返回器与轨道器分离。返回器通过大气流减速,通过二次再入技术回到地球,最后降落到我国北方的内蒙古草原上。

  整个过程就像一场紧张的接力赛,每一棒都环环相扣,不能有丝毫缺失。

  据悉,未来航天六院还将为嫦娥六号月球南极采样、嫦娥七号月球南极资源调查和月球探测、嫦娥八号技术试验等,提供更加精准强大的动力。

  华商报记者 马虎振