追“星”现场—嫦娥五号返回器回到诞生地航天五院

来源:中央纪委国家监委网站发布时间:2020-12-18 06:41
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中央纪委国家监委网站 柴雅欣 视频制作 叶源昊

12月17日晚8点,一辆军绿色卡车缓缓驶入中国空间技术研究院,十六发礼炮依次响起,等候已久的人群发出阵阵欢呼和掌声。卡车上载着的是嫦娥五号返回器,而作为嫦娥五号探测器的抓总研制单位,中国空间技术研究院正是她“诞生”的地方。

 

带着月球“土特产”,远游的“孩子”回了家。历经约23天、11个飞行阶段后,12月17日凌晨1点59分,嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。这标志着我国已具备地月往返的能力,探月工程“绕、落、回”三步走规划完美收官。

 

返回器凌晨着陆,“接力跑”完成冲刺一棒

 

如果说嫦娥五号的地月之旅是一场接力跑,那降落回收便是最后冲刺一棒。在到达地球5000公里之外时,嫦娥五号轨道器与返回器分离,返回器携带月球样品,独自踏上回家路。在降至距离地面约10公里高度时,嫦娥五号返回器打开降落伞,完成最后减速并保持姿态稳定,随后平稳着陆。负责搜索回收任务的测控与回收系统技术人员及时发现了目标,回收工作有序开展。

 

和载人飞船相比,嫦娥五号返回器的体积只有飞船返回舱的约1/7,可着陆面积却是载人飞船的16倍。时值隆冬,在冰天雪地的黑夜搜索如此小的目标,难上加难。

 

不打无准备之仗。针对新特点和新挑战,担任此次搜索任务的中国酒泉卫星发射中心搜索回收分队充分考虑可能出现的最复杂情况,更新改造设备十余套,准备了各种“神器”,还组织进行了多次贴近实战的训练演练。

 

为确保直升机在目标区域安全降落、地面搜救车辆能顺利抵达,搜索回收分队结合冰雪夜间环境进行了近30次的着陆区地形勘察,开展了3次夜间搜索回收专项训练、1次积雪暗夜极寒条件搜索回收演练、1次大范围着陆偏差和3次全系统综合演练,确保空地协同联合搜救作业万无一失。

 

在距着陆场万里之外的印度洋上,中国卫星海上测控部所属的远望3号船早已启航出海。由于嫦娥五号返回大气层时,与周围空气剧烈摩擦,导致返回器表面的高温高压电离气体层如剑鞘一般,隔绝其与地面测控站间的通信,形成黑障区。远望3号船的使命,便是在预定海域执行返回器初次再入黑障区附近的遥测、外测、光学测量等测控任务。

 

“嫦娥五号返回器在通信黑障区的这一跳至关重要,如果跳不起来,返回器会摔得粉碎;如果跳过了,‘嫦娥’可能会逃离大气层,无法二次进入。”随船出海的中国卫星海上测控部技术部副主任房新兵形象解释道。

 

一切都按计划进行。远望3号船在黑暗中牵着嫦娥五号“放风筝”,为返回器穿越黑障区、实施关键一跳牵线搭桥,发挥了无可替代的作用。

 

同样执行测控任务的,还有西安卫星测控中心的两支活动测控分队。为准确预报返回器落点,精准指引搜索回收分队快速实施回收,他们千里转场,分别在四子王旗着陆场和平均海拔4500米的藏北高原,静候嫦娥五号“回家”。

 

据介绍,位于四子王旗着陆场的活动测控分队主要承担嫦娥五号返回器返回段的测控和关键指令发送,以及提供返回器开伞前后的光学实况摄录任务。而另一支活动测控分队已在藏北高原坚守数月,实施返回器遥测接收以及上行遥控任务。失之毫厘,差之千里,这支首次在藏北高原实施测控任务的队伍出色完成了类似于“徒手接子弹”的困难操作。

 

“打水漂”式返回挑战重重,减速降温有妙招

 

执行我国首次月面自动采样返回任务的嫦娥五号是“幸运儿”,她拿到的是地月旅行“往返票”。

 

能返回的探测器寥寥无几,其中门道颇深。嫦娥五号返回器采用了俗称“打水漂”的半弹道跳跃式再入返回方式,这是什么意思,为什么要选择这种方式呢?

 

嫦娥五号要安全顺利返回地球,速度和温度是两大关键因素。返回器从月球飞回的速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度,而此前从近地轨道返回的神舟飞船等航天器速度接近每秒7.9公里的第一宇宙速度。这每秒3公里多的差距,就像扔石头,同样一块石头,从一楼扔下和从十几层高楼扔下的速度迥异;同理,航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回速度差距巨大。此外,高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温,急剧增加的热量也成为嫦娥五号回家路上的“拦路虎”。

 

如何减速?这是一个世界级的难题。在反复学习、研究美国和苏联经验的基础上,根据我国航天器实际情况,中国航天科技集团五院总体设计部的轨道设计师们决定借助地球大气层这个航天器再入返回的“天然屏障”,通过空气摩擦产生的阻力减速,并提出了一个大胆的方案——半弹道跳跃式再入返回。

 

一出一进,返回器慢了下来。“就像在太空中打水漂,返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃回太空,然后再以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面,整个过程环环相扣,在15分钟内完成。”中国航天科技集团五院总体设计部嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰说。

 

如何降温?出发时通体雪白,但返回地球时,由于受到大气层剧烈摩擦产生的高温烧灼,嫦娥五号变“黑”了。

 

“再入的速度提高1倍,再入热量将提高8到9倍。”中国航天科技集团五院总体设计部嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝说,如此高的温度,一旦进入返回器的内部,后果将不堪设想。

 

对抗烧蚀成为必攻难关。以放热结构设计为例,总体设计部防热结构设计团队为探测器巧妙设计了一件“贴心防热衣”。针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标,从33种新研材料中筛选出了7种防热材料,完成了防热材料的布局和局部防热结构设计,实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。

 

嫦娥五号带回的“土特产”如何处理

 

带着月球“土特产”,嫦娥五号奔走38万公里后凯旋。中国成为第三个从月球采样回来的国家,这也是时隔44年后,人类再次把月球样品带回地球。

 

对探月工程技术人员来说,嫦娥五号回家意味着此次探月工程任务圆满完成,但对地面应用系统的科学家来说,月球样品的科学研究工作才刚刚开始。

 

嫦娥五号共获取了两种月壤样本,分别是利用抓取装置获得的月球表层土壤和利用钻探设备获得的月球表面下约2米深的月岩样本,总重量预计约2公斤。据中国科学院国家天文台研究员、国家航天局探月工程三期副总设计师李春来介绍,此前别国月壤采样点都在纬度30度的范围,而嫦娥五号采样点选择了43度的月海风暴洋东北角的玄武岩区域,这是全新的采样区域。全新的样品研究,对月球表面的风化作用、火山作用和区域地质背景、区域地质演化方面可作出很多科研贡献。

 

下一步,珍贵的“土特产”将会送到哪里呢?

 

在中国科学院国家天文台月球与深空探测研究部,我国首个月球样本实验室已“万事俱备”,月球样品的存储、管理和研究工作将在这里进行。

 

月壤样品呈粉末状,易受到地球物质污染,因此月球样本操作必须极其严谨规范。安全解封,科学处理,妥善存储——这十二个红色大字醒目地张贴在实验室墙上。

 

安全解封。月球上几乎真空,和地球存在很大压差,安全解封成为摆在科研团队面前的首个难题。据探月工程三期地面应用系统主任设计师张广良介绍,针对解封在月表真空环境下封装的设备这个难题,他们反复多次进行技术验证,最终设计了一套方案,在真空条件下独立解封罐子,解封后再把样品转移到氮气环境下进行存储和处理。

 

科学处理。“一是采用科学的方法,制定科学的规范和方案,保证结果可信,二是利用最精密仪器进行实验,并且使用最少量的样品展开研究,让样本发挥最大功效。”嫦娥五号任务地面应用系统副总指挥张洪波说。

 

妥善存储。据国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华透露,除了中科院国家天文台作为月壤主要存储地点外,还将在湖南韶山毛主席的故乡进行异地灾备,以告慰毛主席生前“可上九天揽月”的夙愿。

 

“土特产”怎么用?李春来介绍称,大部分样品会用于科学研究,在实验室进行长期、系统的月球样品研究工作,包括结构构造、物理特性、化学成份、同位素组成、矿物特点和地质演化等方面。

 

“取样最主要是为了进行科学研究,另外,为了能早一点与公众见面,我们有一部分样品将入藏国家博物馆,向公众展示,进行科普教育。”吴艳华说,依据国际合作的公约和多边双边的合作协议,中国将发布月球样品和数据管理办法,与有关国家和世界的科学家共享,也有一部分按照国际惯例,可能作为国礼相送。

 

完成地面处理工作后,嫦娥五号返回器空运至北京开舱,取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式,正式向地面应用系统移交月球样品,我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。

 

嫦娥五号创造五项“首次”,中国探月六战六捷

 

十年磨剑,载誉归来。作为中国探月工程“绕、落、回”三部曲的收官之战,嫦娥五号探测器的研制团队与嫦娥五号相伴了十年之久。“从2011年1月立项,到现在整整十年,一个月不多,一个月不少。”中国科学院院士、中国航天科技集团五院空间科学与深空探测首席科学家叶培建感叹道。

 

作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,嫦娥五号任务创造了五项中国“首次”:首次在地外天体采样与封装;首次在地外天体上点火起飞、精准入轨;首次进行月球轨道无人交会对接和样品转移;首次携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回;首次建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。

 

复杂度最高,技术跨度最大,嫦娥五号为什么要设计得这么“难”?

 

“我们要把样品拿回来,就必须走这条路。”叶培建说,“我们(探月)搞得比较晚,水平要搞得高一点才行,而且将来要搞载人登月,因此要为载人登月奠定一些基础,摸索一些技术。”

 

此次嫦娥五号的任务,主要是完成月球采样返回,但其蕴含的多项技术创新,有着提前探路的考虑。嫦娥五号三大工程目标之一,就是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

 

从嫦娥一号拍摄的全月球影像图,到嫦娥二号成功获取月球虹湾局部地区1米分辨率影像图,嫦娥三号成功实现落月梦想,嫦娥5T作为“探路先锋”完成地球轨道外航天器再入大气层返回验证任务,再到嫦娥四号实现人类探测器首次月背软着陆揭开月球背面神秘面纱,嫦娥五号完成月球采样返回任务……嫦娥一路向月,六战六捷。

 

这是发挥新型举国体制优势攻坚克难取得的重大成就。探月工程汇聚了全国包括港澳地区的数千家单位、数万名科技工作者。技术的每一次突破、工程的每一步跨越,都是团结协作的结果,传承弘扬了中国航天攻坚克难、勇攀高峰的优良传统和创新精神,积淀彰显了“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”的探月精神。

 

求索寰宇开新篇。以嫦娥五号任务圆满成功为起点,我国探月工程四期和行星探测工程将接续实施。目前,首次火星探测任务天问一号正在奔火的征程;嫦娥六号、七号、八号,小行星探测、火星取样返回、木星系探测等工程任务也将按计划陆续实施。

 

在星际探测的征程上,中国人将继续一步一个脚印,将梦想变为现实,为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体作出更大的贡献。