嫦娥五號任務完成意義重大

嫦娥五號任務完成意義重大

在闖過了月面採樣封裝、上升器月面起飛、月球軌道無人交會對接、超高速再入返回等一系列難關後,嫦娥五號探測器的返回器終於在2020年12月17日把1731克月球樣品帶回地球,使我國成為世界上第三個在月球採樣返回地球的國家,是我國航天事業發展中里程碑式的新跨越。

大量的理論研究和探月實踐都表明,探月具有科學、技術、經濟和政治多方面的意義,能產生巨大的效益。所以,越來越多的國家或組織甚至私營公司都在積極開展探月活動。

目前,世界月球探測有三種常用方法:一是環繞探測,主要用於對月球進行綜合性普查;二是着陸和巡視探測,主要用於對月球進行區域性詳查;三是採樣返回探測,主要用於對月球進行區域性精查,即把月球樣品運回地球讓科學家在實驗室進行詳細研究。這三種探月方式有明顯的遞進關係,每一步都是對前一步的深化,並可為下一步奠定基礎,最終達到全面、深入瞭解月球的目的。

2004年我國開始實施的月球探測工程,即“嫦娥工程”,就是採用這一“三步走”的發展戰略,現已按預定計劃先後完成繞月探測、落月探測和採樣返回探測。我國先用嫦娥一號、二號完成了繞月探測任務,然後用嫦娥三號、四號完成了月球着陸和巡視探測任務,最終用嫦娥五號完成了無人月球採樣返回探測任務。

嫦娥五號任務的完成為我國“嫦娥工程”的“繞、落、回”三步走發展規劃畫上了圓滿句號。而比我國早或基本同時起步的歐洲航天局、日本和印度目前仍只完成了繞月探測。2019年,印度和以色列曾試圖進行落月探測,但因技術原因均失敗了。由於我國掌握了大功率變推力發動機和智能避障着陸等先進技術,所以嫦娥三號、四號和五號均順利在月面着陸,其中嫦娥四號還是世界上第一個在月球背面軟着陸的探測器。

嫦娥五號是我國迄今為止系統最複雜、技術難度最大的航天工程,面臨許多技術挑戰,因為任務中有不少環節對我國而言都是首次實施,但所有的困難最後都一一克服了。此次任務的成功實施至少有三大工程意義:

一是突破了月面自動採樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、地球大氣高速再入等許多關鍵技術,從而大大提升了我國航天技術水平。

二是實現了首次地外天體自動採樣返回,從而推進了我國科學技術重大跨越。

三是完善了探月工程體系,為我國未來的載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。這次採樣返回任務採用了月球軌道交會對接方案,這種方案也適合載人登月。

尤其是嫦娥五號實現了我國開展航天活動以來四個“首次”:

一是首次成功在月面自動採樣。在月面上採集樣品時,着陸器上的採樣裝置要在月球低重力環境下具備鑽孔、剷土和輸送等能力。採樣完成後要進行沒有任何污染的封裝。在月球低重力環境中能否完成無人採樣封裝是一個較大挑戰。由於準備充分,實際完成得很順利,2天的任務,只用了19個小時就完成了。

二是首次成功從月面起飛。採集的樣品封裝到上升器後,上升器要從着陸器上起飛到月球軌道。這一飛行階段難度很大,因為上升器起飛時噴射的火焰會碰到着陸器,從而可能產生干擾上升器的力。另外,月球表面環境複雜,着陸器不一定是四平八穩的狀態,也無法像地球發射塔架那樣配置火箭導流槽,所以要克服月面起飛軌道設計、月面起飛測控和發動機羽流導流等困難。

三是首次成功在月球軌道上進行了無人交會對接。上升器起飛後要在月球軌道與軌道返回組合體進行無人交會對接,並把樣品轉移到返回器中,這在世界上是第一次。在月球軌道交會對接要用有較多燃料的大質量軌道返回組合體追小質量上升器,而且距離地球幾十萬公里,所以對交會對接的精度要求更高。為此,我國研製了一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機構裝在軌道器上,它具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點,通過增加連桿棘爪式轉移機構,實現了對接與自動轉移功能的一體化,這些設計理念都是世界首創。

值得一提的是,此前只有蘇聯在20世紀70年代進行過3次無人月球採樣返回,總共帶回了330克月球樣品,這是由於當時蘇聯沒有掌握月球軌道無人交會對接技術,所以採用從月面起飛直接返回地球的方案,因此其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重,極大壓縮了採樣重量。這一次,嫦娥五號一次就帶回1731克月球樣品。

四是首次成功使攜帶月球樣品的返回器以11公里/秒的速度再入地球大氣層安全着陸在我國預定地點。此前雖然用嫦娥五號T1試驗過1次,但這次是實戰考驗。為了保障返回器順利着陸,我國採用了創新制定的半彈道跳躍式再入返回技術方案,實踐證明這一方案是安全穩妥的。

嫦娥五號任務的圓滿完成還有至少兩大科學意義:

一是對着陸區進行了現場調查和分析。在嫦娥五號着陸器上不僅有鑽取和表取兩類採樣裝置,還攜帶了3種科學探測儀器。它們在着陸點區域開展了形貌探測和地質背景勘察,獲取了與月球樣品相關的現場分析數據,建立了現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯繫。

二是科學家可在實驗室對月球樣品進行長期、系統的分析研究。嫦娥五號任務落月的着陸區,選擇在月球上最大的月海——風暴洋北部的呂姆克山脈附近。那裏富集鈾、釷、鉀等放射性元素,存在大約13億至20億年前的玄武岩,獲得這些年輕玄武岩的同位素年齡,有助於推進對月球火山活動和演化歷史的認識,填補科學家對月球火山活動研究的一個重要空白。

綜上所述,嫦娥五號任務的完成,有利於人類進一步瞭解月球的狀態、物質含量、地質演化歷史,深化對月壤、月殼和月球形成與演化的認識,也能為了解太陽活動等提供必要的信息。另外,它經歷了一個全面、精細、深入的科學探測過程,突破了一系列關鍵技術,這對我國未來的載人登月和月球基地選址等都具有重要作用。

總之,通過實施“嫦娥工程”,使我國月球科學、比較行星學和空間天文學等基礎研究領域取得了較大進展,顯著提升了航天技術水平並促進眾多相關技術發展,為中國進一步開展深空探測以及未來載人登月奠定了堅實基礎,也大大增加了我國在全球的影響力和民族自豪感、凝聚力。

(作者系全國空間探測技術首席科學傳播專家)

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