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嫦娥五号探测器发射成功!中国探月工程开启新篇章!

时间:2020年11月24日 信息来源:本站原创 点击:1216 字体:

2020年11月24日凌晨4时30分,由航天科技集团五院(以下简称五院)抓总研制的嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场发射成功。这是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战,将实现我国首次月球无人采样返回任务,意义重大、影响深远、举世瞩目。这也是五院成功发射的第300颗航天器。

 

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▲嫦娥五号探测器

 

作为我国探月三期工程采样返回任务的核心,嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统之一,由轨道器、返回器、着陆器、上升器4器组成,包含15个分系统。在此次任务中,嫦娥五号将实现月面自动采样返回,月球样品地面分析研究等任务目标。

 

发射成功后,嫦娥五号将经过11个阶段、20余天的在轨飞行过程,采集约2kg月球样品返回地球

 

诸多难点及鲜明特点

 

嫦娥五号探测器具有着陆器落月、月表采样、月球起飞、轨道对接、样品转移、返回器返回个环节,飞行程序非常复杂,技术性能要求严格,研制工作事关我国探月三期工程的成败,诸多难点、风险点为研制团队带来巨大的挑战。

 

●组合体分离面多。该探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成。相较于神舟飞船和嫦娥三号均只有两个部分需要分离,即两个分离面,嫦娥五号探测器由于一次发射要完成采样与返回任务,因此,技术要求上决定了该探测器具有轨道器和着陆器组合体、着陆器和上升器组合体、轨道器和返回器组合体、轨道器和支撑舱以及轨道器与对接支架5个分离面,这些分离面均只有一次性工作的特点,任何一次分离出问题,都将给任务的实施带来灾难性的后果。

 

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●控制过程细节严谨。嫦娥五号无人采样器通过采样钻头深入月球内部采样机械臂月球表面采样两种方法获取月球样品后,需要转移到上升器里,上升器与轨道器对接后,又要将上升器里面的样品通过轨道器转移到返回器里面,整个环节必须分毫不差,丝丝相扣,天衣无缝,任何环节控制不精细,都将影响任务的完成。

 

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●技术环节多,研制难度大。整个月面采样返回过程涉及到月表样品转移、月面垂直上升、月球轨道交会对接等关键技术。虽然我国已掌握空间交会对接技术,但以往神舟飞船与天宫一号交会对接是在距地球400公里左右的地球轨道上进行的,而嫦娥五号探测器将在距地球38万公里的月球轨道上,完成上升器与轨道器的交会对接,无法借助导航卫星的帮助,这就需要突破月球轨道精确测控技术、月球轨道敏感器交互、轻小型航天器对接等技术;同时,嫦娥五号探测器实施月表采样返回任务后,着陆器将留在月球表面,上升器留在月球轨道,轨道器留在地球轨道,最终,返回器携带样品返回地球表面,如此复杂的技术环节,都是对研制团队的全新挑战。

 

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●温度控制要求高。月球表面白天温度约零上180摄氏度,夜间零下150摄氏度,昼夜温差约330摄氏度,无人采样器既要应对300多度温差的月面生存挑战,工作时还要承受高温炙烤,对产品性能和可靠性提出了严峻考验。

 

●减重压力大。由于运载火箭的运载能力对嫦娥五号探测器的重量有严格的约束,处于控制重量的需要,必须对探测器所有分系统进行“瘦身”,同时,又要减少备份产品,这就要求在无备份的情况下高度可靠的工作,研制队伍面临着最大限度的减轻重量,又要确保质量可靠性的双重压力;还有,如何对上述难点所涉及的关键技术进行试验验证,也需要一系列的技术创新和探索。

 

六大关键环节

 

嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地入射、地球大气高速再入返回等六个关键环节。

 

★关键一:轨道设计复杂。嫦娥五号探测器飞行阶段多,各阶段轨道方案耦合紧密,轨道设计受到测控、运载和着陆场的限制,约束条件多,各飞行阶段轨道在控制和测定轨精度能力有限的情况下,匹配精度要求高;飞行过程还涉及月球轨道交会对接、月地转移等新的飞行阶段,飞行过程复杂,轨道设计难度大;同时,轨道设计结果对采样点选择及热控、供配电等分系统的方案设计有直接的影响。在标称轨道设计方案的同时,还需要在推进剂资源受限的情况下,制定各种故障预案,对轨道设计是一个全新的挑战。

 

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★关键二:月面采样封装技术新。采样封装是嫦娥五号月球无人采样返回任务的核心环节之一。月面采样封装任务采用表钻结合、多点采样的方式,采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束;采样期间面临月面高温的工作环境;同时采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。

 

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★关键三:月面起飞上升验证难。上升器基于着陆平台的月面起飞需解决月面起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异带来的验证技术难度大等问题。由上升器、着陆器和月面构成的月面起飞系统,其初始状态源自着陆上升组合体着陆月面的场坪条件、着陆的姿态和方位等条件,月面起飞初始条件无法像运载火箭、导弹一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认,而必须依靠自主定位定姿方法确定起飞的初始状态。面对技术难题,需要明确起飞稳定性的各项因素及其耦合的影响,依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨。与常规的航天器面临的羽流影响不同,起飞上升发动机在受限空间点火引起的复杂边界条件下羽流力热效应问题突出,需要通过大量的地面仿真和试验对其开展验证。月面环境的特殊性,低重力、高真空等环境模拟使得地面验证较为困难。

 

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★关键四:月球轨道交会对接与样品转移自主要求高。与近地轨道交会对接不同,嫦娥五号交会对接无卫星导航信号支持,对接和样品转移过程自主性要求高。需要在考虑探测器的测控、光照条件、姿轨控、电源、热控等各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计;同时,月球交会对接过程中,地面测控支持能力受限,受到对接机构大小的限制,对接精度的要求较高。交会对接飞行过程阶段划分、近距离高精度相对位姿控制和相对测量敏感器的轻小型化设计是月球轨道交会对接GNC的技术难点;嫦娥五号探测器的对接机构与样品转移机构采用弱撞击式对接机构,机构中必须同时考虑样品转移装置的设计,保证对接精度满足样品转移的相关要求。对接机构与样品转移机构一体化设计是对接机构与样品转移技术研究中的难点。

 

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★关键五:月地入射精度要求高。月地入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨返组合体进入月地转移轨道,由于月地关系的不断变化,月地入射窗口及入射点位置均受到严格约束,为理论上的零窗口;同时,月地入射的精度在一定程度上决定了返回器再入点精度,影响返回器的安全着陆,控制精度要求高。

 

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★关键六:地球大气高速再入返回速度高。嫦娥五号任务中,最终携带样品以接近第二宇宙速度返回地球的返回器对任务的成败至关重要。嫦娥五号探测器再入返回设计继承了飞行试验器的设计,任务的再入航程与飞行试验器基本一致。但装有月壤的样品容器重量有一定的不确定性,有可能影响返回器的质量特性,对返回器GNC控制的健壮性提出了较高的要求。

 

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艰辛的研制历程

 

从立项到发射,嫦娥五号经历了10年的艰辛奋战。围绕上述关键核心技术和诸多难点、风险点,五院在充分研究继承五院低轨道卫星、高轨道卫星、载人航天交会对接、地外天体无人着陆器与返回等现有航天器研制技术精华的基础上,联合参研单位集中最强阵容攻克难关,先后突破了月表采样任务所涉及到的20余项关键技术和总体设计优化技术、地面试验验证技术,实现了方案设计步步优化,减轻重量克克计较,多种手段摸清规律,数十项试验验证全方位考核性能,从而,确保了嫦娥五号探测器方案设计合理,各项功能性能满足任务的要求,研制过程技术状态和质量受控。

 

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回顾三千六百多个日夜,一个个重大的时间节点,一幕幕难忘的重要事件,历历在目。


2011年1月

国务院正式批复立项,嫦娥五号探测器启动研制工作


2012年12月

完成嫦娥五号探测器系统方案阶段研制总结评审,转入初样研制阶段

201512

完成嫦娥五号探测器系统初样研制总结及正样设计评审,转入正样研制阶段


2020年7月

嫦娥五号探测器空运抵达发射场,此后开展了将近5个月的发射场工作


2020年11月24日

嫦娥五号探测器一飞冲天,发射取得圆满成功。

 

让我们

共同期待

嫦娥五号后续的精彩旅程

共同祝福

她荣耀归来!



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