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探月难 返回难上加难

时间:2015年07月30日 信息来源:本站原创 点击:811 字体:


我国再入返回飞行试验器试验过程示意图

核心提示:

10月24日2点,我国在西昌卫星发射中心成功发射了一颗再入返回飞行试验器,此次成功发射不但标志着探月工程掀开了新一页,也标志着我国成为世界上月球探测器种类最多的国家之一。

回顾人类曾经发射过的月球探测器会发现,绕月飞行的轨道器最多,着陆器和撞击器其次,再次是采样返回器,月球车最少。

据统计,在此次发射之前,人类总共发射过112个月球探测器,其中有11个属于临时访问,17个是撞击器,24个是着陆器,35个是绕月球飞行的轨道器,6个是轨道器和撞击器组合,还有4台月球车和17个采样返回器。我国此次发射的再入返回飞行试验器是采样返回器的验证样机,这也使它成为目前世界上唯一一个绕飞返回器。

登月难 返回也难

回顾人类探索月球的历史,可以发现早期探月是由一连串失败组成的。其中,苏联进行的早期月球探测任务几乎没有一个取得成功,美国也是失败多成功少。但正是这些失败,积累起了必要的技术,让人们真正了解了星际飞行需要什么样的技术和控制方法,特别是不同的任务需要采取什么样的轨道方案。

在上面说到的112个探测器中,有41个彻底失败,它们不是发射失败就是进入了错误的轨道,有8个部分成功,有65个取得了成功,这其中的原因与技术难度有直接的关系。而我国迄今为止进行的几次月球探测任务全部取得成功,有力提高了人类探月的总体成功率。

先看绕月飞行。相比而言,绕月飞行是最简单的。而且由于探测器在绕月飞行的时候依然拥有很大的动能,那么当它启程返回地球的时候,也就不需要太多的燃料。

再说着陆器。着陆器就相对困难一些,着陆器分为固定不动的和能够运动的两种,后者就是人们很感兴趣的月球车。由于着陆器需要接近月球,然后把自己和月球的相对速度降低到零,因此也出现过一些撞击器,就是把航天器直接撞击到月球上。我国在嫦娥三号任务时就已经成功实现在月球软着陆,成为世界上第三个实现地外天体软着陆和巡视探测的国家。

此外,在采样返回任务中,着陆器不但要携带用于挖掘和存储矿石的机械,还要携带火箭用于返回地球。因此,如果不能研制出可靠的机器人系统,就只能把航天员派到月球上去挖掘矿石了。有意思的是,在这个方面,是载人航天器而不是机器人航天器占得了先机,人类第一个成功实施登陆月球采样返回任务的是美国的阿波罗飞船。

再看返回。结合未来的嫦娥五号任务,在返回的过程中还涉及从月面起飞这一过程。从其他星球表面返回,本身就代表了比在其他星球着陆或环绕探测有着更高的工程难度和技术水平。虽然月球质量只有地球的1/81,但从月球表面起飞并返回地球依然需要达到2.38公里/秒的逃逸速度。因此,无论是美国的阿波罗飞船登月舱还是苏联的采样返回探测器,都需要采用下降段和上升段两级火箭才能分别完成软着陆和离开月球的任务。

具体到此次再入返回飞行试验,由于从月球返回需要采用大椭圆轨道,这一轨道的初始段只要有微小的偏差,返回的落点就会有巨大的差异。而且返回舱的机动能力有限,返回过程主要依靠气动阻力实现减速。从月球返回的航天器在返回大气层时速度约为11.2公里/秒,远高于地球轨道附近飞船返回时的7.8公里/秒。航天器再入过程只要稍有偏差,不是被烧毁就是又被大气层“弹”回宇宙,永远回不来。因此可以说,这一过程的控制需要很高的技术水准。

根据此次任务特点,我国航天部门专门设计了一种特殊的返回轨迹,即“ 半弹道跳跃式再入”。当飞行试验器返回第一次进入大气层时,先跃起,然后经过一段时间飞行,再第二次进入大气层,返回地球。这个设计的主要目的是降能减速,确保飞行试验器顺利返回。

美苏探月返回各有千秋

1968年,苏联先后进行了3次绕月飞行再入返回试验。同年,美国阿波罗-8号飞船也实现了绕月飞行并安全返回地球。而人类第一个月球采样返回任务是1969年7月的“阿波罗”-11,3名航天员不仅第一次登上了地外星球,还带回了21.5公斤的月岩样品。

此后,美国又发射了“阿波罗”-12,不但进行了采样,还回收了此前的月球探测器残骸。紧随其后实施的就是著名的“阿波罗”-13,虽然任务失败,但3名航天员安全回到地面,被称为“最完美的失败”。之后,美国又先后发射了阿波罗-14、15、16、17任务,全部取得了成功。

苏联在载人月球任务失败的情况下,持续实施无人探月。在其1970年的两次进行无人采样返回任务中,“月球”e-8-5发射失败,“月球”-16取得了成功。“月球”-16的成功标志着苏联在机器人技术方面取得了重大成就,难度其实并不亚于“阿波罗”,但载人航天能够得到政界和公众的高度关注,“主角光环”远远盖过了“月球”-16。

1976年,苏联成功发射了“月球”-24。在“月球”-24之后的很长一段时间里,人类再没有哪怕是一个探测器在月球上软着陆,直到37年后,“嫦娥三号”才结束了这段空白的历史。到了上世纪80年代,国际航天的热点逐渐转向了商业航天和载人空间站。月球被冷落了,特别是投资大、技术复杂的采样返回任务就更没有人染指。

为嫦娥五号任务铺路

在苏联“月球”-24任务之后的30多年里,虽然航天界依然在持续关注月球,但具体到探月工程,只有寥寥17次。中国探月工程的实施真正重新建立起了月球探测的完整框架,轨道器、撞击器、着陆器、月球车相继精彩亮相。

而“嫦娥五号”将是1976年以来人类第一次试图进行月球采样返回的技术探索。人类历史上的机器人月球采样返回任务一共只成功过3次,即苏联的“ 月球”-16、“ 月球”-20 和“ 月球”-24。因此,先发射再入返回飞行试验器,为后续的采样返回器减缓技术风险是非常有必要的。我们期待着“嫦娥”家族也能像国外的先行者们一样,取得傲人的成绩,为我国未来的深空探索奠定坚实的技术基础。(常飞)

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