經(jīng)過23天的日夜兼程,嫦娥五號帶著“月壤”平安地回到了地球的家,實(shí)現(xiàn)了中國人嫦娥奔月的夢想。
嫦娥五號重達(dá)8.2噸,是我國目前發(fā)射的重量最重的探測器,而且是由火箭直接將嫦娥五號探測器送入地月轉(zhuǎn)移軌道,而不需探測器自身加速。
這是我國復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程,首次實(shí)現(xiàn)了我國地外天體采樣返回,我國成為世界上第三個(gè)從月球采樣回來的國家。
2020年12月19日,嫦娥五號從月球挖的“土”正式移交至相關(guān)科研單位,我國首次地外天體樣品儲存和研究工作拉開序幕?;仡櫞舜卧虑蛲凇巴痢?,嫦娥五號經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、在軌分離、平穩(wěn)落月、鉆表取樣、月面起飛、交接對接、樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收等階段。各環(huán)節(jié)順利進(jìn)行,離不開航天科研人員的科技保障。
測量雷達(dá)“緊盯”火箭飛行
在長征五號運(yùn)載火箭帶著焰尾拔地而起的幾分鐘內(nèi),兩部固定式脈沖測量雷達(dá)快速采集著火箭的飛行信息,確保指控中心能第一時(shí)間掌握全局,作好安全控制。
這是雷達(dá)測量的第一棒。從點(diǎn)火的那一刻開始,這兩部探測雷達(dá)像兩雙“鷹眼”,緊盯火箭飛行,用于運(yùn)載火箭發(fā)射上升段的外彈道測量,為發(fā)射場指控中心實(shí)時(shí)提供火箭距離、方位、俯仰等精確坐標(biāo)信息和速度數(shù)據(jù)。一旦火箭飛行出現(xiàn)偏移軌道的狀況,即刻就能發(fā)現(xiàn)。
聲表面波濾波器讓“嫦娥”更“耳聰”
在此次任務(wù)中,還有一個(gè)“神器” ? ?聲表面波濾波器。聲表面波濾波器被同時(shí)安裝在嫦娥五號及長征五號火箭上,主要應(yīng)用在測控、應(yīng)答機(jī)等分系統(tǒng),全力保障嫦娥五號信號接收、過濾雜波,以及各分系統(tǒng)信號接收、處理。
航天器發(fā)射中一旦有了信號干擾,地面接收到的信息就好比接聽串了線的電話。聲表面波濾波器能夠輕松過濾掉高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號以及各類寄生雜波等各種干擾信號,保證發(fā)射場指揮控制中心可以清晰接收準(zhǔn)確信號,相當(dāng)于讓“嫦娥”更“耳聰”。
為了濾除無用信號,更好助力嫦娥五號太空觀測,確保與地面控制中心的信號暢通,科學(xué)家們對每一個(gè)濾波器都精雕細(xì)琢。聲表面波濾波器的最細(xì)線條寬度達(dá)到0.3微米,相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/200。每一個(gè)合格的高可靠性聲表面波濾波器,都要在高倍顯微鏡下“過關(guān)斬將”,并至少經(jīng)歷3次超聲波或等離子清洗,才能保證元器件的可靠性。
晶體元器件穩(wěn)住探月“脈搏”
嫦娥五號的頻率信號如同人體的脈搏,脈搏穩(wěn)定是嫦娥五號正常工作的前提。
科學(xué)家們研制生產(chǎn)了數(shù)百只自主可控晶體元器件,作為嫦娥五號電子設(shè)備的心臟,牢牢穩(wěn)住嫦娥五號飛行的“脈搏”。這些晶體元器件包括晶體振蕩器、石英諧振器等為嫦娥五號的發(fā)射、測控、在軌飛行、采樣、返回等提供了穩(wěn)定可靠的頻率信號。其中,高性能時(shí)鐘晶體振蕩器全力保障嫦娥五號在遙遠(yuǎn)的太空中控得住,采好樣,順利返回。抗沖擊溫補(bǔ)晶體振蕩器具有頻率準(zhǔn)確、耐受沖擊的特點(diǎn)。此次嫦娥五號使用了數(shù)只這樣高精度的抗沖擊溫補(bǔ)晶體振蕩器。這些神器都是處于“關(guān)鍵崗位”,它們的輸出信號頻譜干凈,保證“嫦娥”平安回家。高精度溫補(bǔ)晶體振蕩器是頻率控制的“大咖”,它可以輸出更加精準(zhǔn)穩(wěn)定的頻率信號,能夠大幅提高嫦娥五號的性能指標(biāo)、可靠性、頻率穩(wěn)定度,溫度工作范圍提高了近一倍,并具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。
微波雷達(dá)做“嫦娥”銳利的“眼睛”
科學(xué)家們研制的月球軌道交會(huì)對接微波雷達(dá),是實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對接和“月壤”轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設(shè)備,用于嫦娥五號軌道器、上升器之間相對位置與相對姿態(tài)的精確測量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向空空通信,就像互相能看見的銳利“眼睛”,引導(dǎo)兩個(gè)航天器最終實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對接,保證“月壤”采樣安全轉(zhuǎn)移。
搬運(yùn)外骨骼抱“嫦娥”回家
當(dāng)嫦娥五號返回器在預(yù)定地點(diǎn)著陸后,科學(xué)家們設(shè)計(jì)的搬運(yùn)外骨骼可助力回收大隊(duì)成功搜救返回器。這個(gè)搬運(yùn)外骨骼包含上肢助力模塊和下肢助力模塊,負(fù)載能力達(dá)50千克,通過電動(dòng)直驅(qū)助力模塊及智能步態(tài)分析算法,配合人體上下肢關(guān)節(jié)發(fā)力,降低人體能耗,同時(shí)為穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力,在負(fù)重搬運(yùn)時(shí)可省力約60%,幫助穿戴者承擔(dān)更大載荷,能夠更輕松地抱“嫦娥”回家。
此次任務(wù)中,兩名身穿外骨骼的搜救回收隊(duì)員攜帶搜救設(shè)備從直升機(jī)降落點(diǎn)快速移動(dòng)至返回器著陸點(diǎn),并在返回器旁插上一面鮮艷的五星紅旗。與此同時(shí),搬運(yùn)外骨骼還協(xié)助搜救回收大隊(duì)在返回器周邊快速搭建應(yīng)急通信、照明及電力保障體系,確保搜救回收任務(wù)快速、安全、高效完成,為整個(gè)嫦娥五號探月任務(wù)收官畫上圓滿句號。
國外的再入航天器共有三類:彈道式再入航天器、彈道升力式再入航天器和升力式再入航天器。而我國的探月工程則采用了一種全新的再入方式 ? ?半彈道跳躍式再入返回。
何謂半彈道跳躍式再入返回?
嫦娥五號“回家心切”,飛行速度為每秒11.2千米的第二宇宙速度,以這個(gè)速度進(jìn)入大氣層,嫦娥五號表面溫度在3000℃以上。在這樣的溫度下金剛石都會(huì)熔化。如果高溫被傳導(dǎo)到返回器內(nèi)部,將對攜帶的“月壤”產(chǎn)生影響。而其他從數(shù)百千米高的近地軌道返回的航天器,其速度大多為每秒7.9千米的第一宇宙速度,這時(shí)材料表面溫度約為1800℃。每秒3.3千米差距看似不大,但返回器一旦速度過猛、撞向地球,后果不堪設(shè)想。因此,為了減速,科學(xué)家們讓嫦娥五號借助大氣層提供的升力“跳”起來,再以第一宇宙速度重新進(jìn)入大氣層返回地面,就像在太空中“打水漂”。
科學(xué)家們還設(shè)計(jì)了一系列措施保證嫦娥五號返回器平安回家。
航天器不同的部位對防熱材料的要求不同,需要選擇不同耐熱溫度的材料。比如,環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料可耐受120℃左右的溫度,使用范圍比較廣泛,可以應(yīng)用于火箭整流罩、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件等;雙馬樹脂基復(fù)合材料可以耐受200℃以上的溫度,主要應(yīng)用于火箭防熱底板、儀器艙艙段等;聚酰亞胺基復(fù)合材料可耐受500℃左右的高溫,可應(yīng)用于火箭及航天器的耐高溫部件。
對于高速穿越大氣層的航天器來說,輕裝上陣能飛得更遠(yuǎn)。例如,火箭末級每減輕1千克重量,就能增加1千克的有效載荷,或是增加15千米左右的射程。實(shí)際上,降低材料密度本身并不很難,但要讓材料的密度低,同時(shí)又能耐高溫、強(qiáng)隔熱,難度就非常大了。
為減輕航天器載重負(fù)擔(dān),要確保嫦娥五號返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上,最終根據(jù)各部位受熱情況的不同,在大底迎風(fēng)面、大底背風(fēng)面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風(fēng)面、側(cè)壁背風(fēng)面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼七大部位分別應(yīng)用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。這7種材料相互配合、和諧相處,防熱減重兩不誤。
比如,氣動(dòng)加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu),采用的是輕質(zhì)低密度燒蝕防熱材料,其密度約為每立方厘米0.5克,每平方米可承受6兆瓦的熱流環(huán)境;側(cè)壁結(jié)構(gòu)采用的是超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)防熱材料,密度約為每立方厘米0.36克,每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環(huán)境。
之前國際上最好的防熱材料是改進(jìn)后的Avcoat5026,這是阿波羅飛船所用的防熱材料,也是此前唯一經(jīng)歷載人登月返回特殊嚴(yán)酷熱環(huán)境的防熱材料。改進(jìn)后的Avcoat 5026密度為每立方厘米0.56克左右,能夠在熱流作用下發(fā)生分解、熔化等變化,借質(zhì)量消耗帶走大量的熱,以達(dá)到阻止再入大氣層時(shí)的熱流傳入飛行器內(nèi)部的目的。但是這種防熱材料的制造工藝復(fù)雜、周期非常長,以獵戶座飛船大底為例,其防熱材料需要整整6個(gè)月才能完成制造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為每立方厘米0.5克,成型周期是獵戶座飛船大底的1/25。
嫦娥五號帶回的月壤土,來自月球緯度43度風(fēng)暴洋東北角的玄武巖區(qū)域。全新的樣品研究對月球表面的風(fēng)化作用、火山作用和區(qū)域地質(zhì)背景、區(qū)域地質(zhì)演化方面應(yīng)該能作出很多科研貢獻(xiàn)。選擇此地的一個(gè)原因是基于工程的可實(shí)現(xiàn)性,包括安全降落地形地貌、能源供給的光照條件、熱控條件、通信因素、測控因素。
這些來自月球風(fēng)暴洋的珍品,將會(huì)放在位于北京的中國科學(xué)院國家天文臺。這是月球樣品的主要存放地點(diǎn)。作為一種容災(zāi)備份,還有一部分樣品將放在湖南韶山。
嫦娥五號帶回的月壤土將有三種用途:第一種,為了進(jìn)行科學(xué)研究,這是最主要的目的;第二種,為了能早一點(diǎn)與公眾見面,有一部分樣品將入藏國家博物館,向公眾展示,進(jìn)行科普教育;第三種,依據(jù)國際合作的公約和多邊雙邊的合作協(xié)議,我國將發(fā)布月球樣品和數(shù)據(jù)管理辦法,與世界各國的科學(xué)家共享;也有一部分按照國際慣例,可能作為國禮相送。
近一段時(shí)期,國際同行對嫦娥五號都非常關(guān)注,紛紛給中國國家航天局、中國政府、相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)來賀電,提出了需要共同開展研究的意愿。中國國家航天局與40多個(gè)國家簽訂了140多份合作協(xié)議。
科學(xué)家們會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行長期系統(tǒng)的月球樣品研究工作,包括它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理特性、化學(xué)成分、同位素組成、礦物特點(diǎn)和地質(zhì)演化等,希望能夠深入了解月球的起源、演化。
嫦娥五號成功返回地球,讓人們對載人登月充滿了遐想。中國是否已經(jīng)有了明確的載人登月計(jì)劃?
嫦娥五號目前開展的月面起飛、軌道交會(huì)對接、再入返回等,都是未來載人返回的必要技術(shù)。這些技術(shù)也是為未來載人登月打基礎(chǔ)。按照目前有關(guān)部門的初步意向,先搞關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),等地球軌道的空間站建成,再規(guī)劃論證是不是要搞載人登月。
星辰征途永無止境,逐夢之行永不停歇。中國航天事業(yè)開創(chuàng)了從無到有的輝煌歷史,憑借中國智慧不斷刷新探索宇宙的新高度。
(本刊綜合)