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到2021年12月,我國月球探測工程嫦娥五號采樣返回任務(wù)已成功實施一周年。
嫦娥五號探測器由軌道器、著陸器、上升器和返回器組成,這個團隊就像接力隊一樣,通過“接力”方式,把月球樣品送回地球。
嫦娥五號探測器示意圖
那么,為什么不派一個成員,獨自完成“取寶”任務(wù)呢?
這是因為采樣返回任務(wù)工況復(fù)雜,無法由一個成員單獨完成。團隊成員分工明確,各有各的任務(wù):
軌道器
軌道器負責“飛得到”,即與運載火箭分離后,負責把著陸器、上升器和返回器送到月球軌道,完成采樣任務(wù)后,再把返回器送回地球附近。
著陸器
著陸器負責“下得去”,即到達月球軌道并與軌道器-返回器組合體(簡稱“軌返組合體”)分離后,負責帶著上升器,在月面軟著陸,并與上升器一起,完成月面采樣。
上升器
上升器負責“上得來”,即完成采樣任務(wù)后,帶著月球樣品從月面起飛,與在月球軌道飛行的軌返組合體交會對接,并把月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。
返回器
返回器負責“落得下”,即當軌返組合體回到地球附近后,與軌道器分離,再入大氣層,把月球樣品送回地球。
首先,軌道器的作用相當于太空擺渡車,起著在地月之間往返運輸?shù)淖饔?。由于地月之間路途遙遠,在飛行過程中需要多次變軌,到達月球附近時,還要進行制動減速,以便被月球捕獲;在“拿”到月球樣品后,再通過加速擺脫月球引力,飛回地球。這些工作需要軌道器的發(fā)動機和控制系統(tǒng)來完成。而返回器沒有發(fā)動機,不依靠軌道器進行擺渡,無法完成地月往返任務(wù)。
其次,由于月球沒有大氣層,從月球軌道著陸月面,只能通過發(fā)動機反推,產(chǎn)生制動力,降低著陸器的速度,才能實現(xiàn)軟著陸。返回器沒有發(fā)動機,不能實現(xiàn)軟著陸;軌道器雖然有發(fā)動機,但是由于軌返組合體質(zhì)量很大,約4.5噸,著陸月面和從月面起飛,都需要消耗很多推進劑,而軌道器還承擔著把返回器送回地球的任務(wù)。所以,到達月球軌道后,軌返組合體進行不消耗推進劑的環(huán)月飛行,而由著陸器和上升器(簡稱“著上組合體”)著陸月面,完成采樣任務(wù)。
著上組合體著陸月面示意圖
第三,完成采樣任務(wù)后,需要從月面起飛。而著陸器的重量近3噸,從月面起飛需要消耗大量推進劑。為了減輕起飛重量、減少推進劑消耗,需要把已經(jīng)完成任務(wù)的著陸器留在月面,充當上升器的起飛平臺,而由重約0.8噸的上升器從月面起飛,并通過與留在月球軌道的軌返組合體交會對接,把月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。
上升器飛離月面示意圖
上升器與軌返組合體
在月球軌道上交會對接示意圖
最后,要想把月球樣品送回地球,必須再入大氣層。由于返回器飛行速度非常高,與大氣層摩擦?xí)a(chǎn)生很多熱量,如果不在外形設(shè)計和材料選取方面采取防熱措施,返回器會在再入過程中燒毀。只有進行防熱設(shè)計的返回器,才能安全再入大氣層,同時由于其質(zhì)量較?。s0.3噸),可以通過降落傘減速后,平穩(wěn)著陸地面。而沒有進行防熱設(shè)計的軌道器、上升器均不具備再入大氣層的條件。
返回器帶著月球樣品返回地面
嫦娥五號月球采樣團隊經(jīng)過23天的運行,只有返回器帶著月球樣品返回了地面;完成任務(wù)的著陸器留在了月球表面;上升器移交完月球樣品、與軌返組合體分離后,按照地面指令受控離軌,降落在月面預(yù)定落點;而軌道器在完成地月往返運輸任務(wù)后,又被賦予了新的使命,先去探測了日地拉格朗日L1點,再從日地拉格朗日L1點返回了月球,截至月球采樣一周年時,仍在月球軌道上運行。
來源/《太空探索》2022年第1期
文/張鐵鈞
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