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探月難 返回難上加難

時(shí)間:2015年07月30日 信息來源:本站原創(chuàng) 點(diǎn)擊:3048 字體:


我國再入返回飛行試驗(yàn)器試驗(yàn)過程示意圖

核心提示:

10月24日2點(diǎn),我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了一顆再入返回飛行試驗(yàn)器,此次成功發(fā)射不但標(biāo)志著探月工程掀開了新一頁,也標(biāo)志著我國成為世界上月球探測器種類最多的國家之一。

回顧人類曾經(jīng)發(fā)射過的月球探測器會(huì)發(fā)現(xiàn),繞月飛行的軌道器最多,著陸器和撞擊器其次,再次是采樣返回器,月球車最少。

據(jù)統(tǒng)計(jì),在此次發(fā)射之前,人類總共發(fā)射過112個(gè)月球探測器,其中有11個(gè)屬于臨時(shí)訪問,17個(gè)是撞擊器,24個(gè)是著陸器,35個(gè)是繞月球飛行的軌道器,6個(gè)是軌道器和撞擊器組合,還有4臺(tái)月球車和17個(gè)采樣返回器。我國此次發(fā)射的再入返回飛行試驗(yàn)器是采樣返回器的驗(yàn)證樣機(jī),這也使它成為目前世界上唯一一個(gè)繞飛返回器。

登月難 返回也難

回顧人類探索月球的歷史,可以發(fā)現(xiàn)早期探月是由一連串失敗組成的。其中,蘇聯(lián)進(jìn)行的早期月球探測任務(wù)幾乎沒有一個(gè)取得成功,美國也是失敗多成功少。但正是這些失敗,積累起了必要的技術(shù),讓人們真正了解了星際飛行需要什么樣的技術(shù)和控制方法,特別是不同的任務(wù)需要采取什么樣的軌道方案。

在上面說到的112個(gè)探測器中,有41個(gè)徹底失敗,它們不是發(fā)射失敗就是進(jìn)入了錯(cuò)誤的軌道,有8個(gè)部分成功,有65個(gè)取得了成功,這其中的原因與技術(shù)難度有直接的關(guān)系。而我國迄今為止進(jìn)行的幾次月球探測任務(wù)全部取得成功,有力提高了人類探月的總體成功率。

先看繞月飛行。相比而言,繞月飛行是最簡單的。而且由于探測器在繞月飛行的時(shí)候依然擁有很大的動(dòng)能,那么當(dāng)它啟程返回地球的時(shí)候,也就不需要太多的燃料。

再說著陸器。著陸器就相對(duì)困難一些,著陸器分為固定不動(dòng)的和能夠運(yùn)動(dòng)的兩種,后者就是人們很感興趣的月球車。由于著陸器需要接近月球,然后把自己和月球的相對(duì)速度降低到零,因此也出現(xiàn)過一些撞擊器,就是把航天器直接撞擊到月球上。我國在嫦娥三號(hào)任務(wù)時(shí)就已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在月球軟著陸,成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)地外天體軟著陸和巡視探測的國家。

此外,在采樣返回任務(wù)中,著陸器不但要攜帶用于挖掘和存儲(chǔ)礦石的機(jī)械,還要攜帶火箭用于返回地球。因此,如果不能研制出可靠的機(jī)器人系統(tǒng),就只能把航天員派到月球上去挖掘礦石了。有意思的是,在這個(gè)方面,是載人航天器而不是機(jī)器人航天器占得了先機(jī),人類第一個(gè)成功實(shí)施登陸月球采樣返回任務(wù)的是美國的阿波羅飛船。

再看返回。結(jié)合未來的嫦娥五號(hào)任務(wù),在返回的過程中還涉及從月面起飛這一過程。從其他星球表面返回,本身就代表了比在其他星球著陸或環(huán)繞探測有著更高的工程難度和技術(shù)水平。雖然月球質(zhì)量只有地球的1/81,但從月球表面起飛并返回地球依然需要達(dá)到2.38公里/秒的逃逸速度。因此,無論是美國的阿波羅飛船登月艙還是蘇聯(lián)的采樣返回探測器,都需要采用下降段和上升段兩級(jí)火箭才能分別完成軟著陸和離開月球的任務(wù)。

具體到此次再入返回飛行試驗(yàn),由于從月球返回需要采用大橢圓軌道,這一軌道的初始段只要有微小的偏差,返回的落點(diǎn)就會(huì)有巨大的差異。而且返回艙的機(jī)動(dòng)能力有限,返回過程主要依靠氣動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)減速。從月球返回的航天器在返回大氣層時(shí)速度約為11.2公里/秒,遠(yuǎn)高于地球軌道附近飛船返回時(shí)的7.8公里/秒。航天器再入過程只要稍有偏差,不是被燒毀就是又被大氣層“彈”回宇宙,永遠(yuǎn)回不來。因此可以說,這一過程的控制需要很高的技術(shù)水準(zhǔn)。

根據(jù)此次任務(wù)特點(diǎn),我國航天部門專門設(shè)計(jì)了一種特殊的返回軌跡,即“ 半彈道跳躍式再入”。當(dāng)飛行試驗(yàn)器返回第一次進(jìn)入大氣層時(shí),先躍起,然后經(jīng)過一段時(shí)間飛行,再第二次進(jìn)入大氣層,返回地球。這個(gè)設(shè)計(jì)的主要目的是降能減速,確保飛行試驗(yàn)器順利返回。

美蘇探月返回各有千秋

1968年,蘇聯(lián)先后進(jìn)行了3次繞月飛行再入返回試驗(yàn)。同年,美國阿波羅-8號(hào)飛船也實(shí)現(xiàn)了繞月飛行并安全返回地球。而人類第一個(gè)月球采樣返回任務(wù)是1969年7月的“阿波羅”-11,3名航天員不僅第一次登上了地外星球,還帶回了21.5公斤的月巖樣品。

此后,美國又發(fā)射了“阿波羅”-12,不但進(jìn)行了采樣,還回收了此前的月球探測器殘骸。緊隨其后實(shí)施的就是著名的“阿波羅”-13,雖然任務(wù)失敗,但3名航天員安全回到地面,被稱為“最完美的失敗”。之后,美國又先后發(fā)射了阿波羅-14、15、16、17任務(wù),全部取得了成功。

蘇聯(lián)在載人月球任務(wù)失敗的情況下,持續(xù)實(shí)施無人探月。在其1970年的兩次進(jìn)行無人采樣返回任務(wù)中,“月球”e-8-5發(fā)射失敗,“月球”-16取得了成功?!霸虑颉?16的成功標(biāo)志著蘇聯(lián)在機(jī)器人技術(shù)方面取得了重大成就,難度其實(shí)并不亞于“阿波羅”,但載人航天能夠得到政界和公眾的高度關(guān)注,“主角光環(huán)”遠(yuǎn)遠(yuǎn)蓋過了“月球”-16。

1976年,蘇聯(lián)成功發(fā)射了“月球”-24。在“月球”-24之后的很長一段時(shí)間里,人類再?zèng)]有哪怕是一個(gè)探測器在月球上軟著陸,直到37年后,“嫦娥三號(hào)”才結(jié)束了這段空白的歷史。到了上世紀(jì)80年代,國際航天的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向了商業(yè)航天和載人空間站。月球被冷落了,特別是投資大、技術(shù)復(fù)雜的采樣返回任務(wù)就更沒有人染指。

為嫦娥五號(hào)任務(wù)鋪路

在蘇聯(lián)“月球”-24任務(wù)之后的30多年里,雖然航天界依然在持續(xù)關(guān)注月球,但具體到探月工程,只有寥寥17次。中國探月工程的實(shí)施真正重新建立起了月球探測的完整框架,軌道器、撞擊器、著陸器、月球車相繼精彩亮相。

而“嫦娥五號(hào)”將是1976年以來人類第一次試圖進(jìn)行月球采樣返回的技術(shù)探索。人類歷史上的機(jī)器人月球采樣返回任務(wù)一共只成功過3次,即蘇聯(lián)的“ 月球”-16、“ 月球”-20 和“ 月球”-24。因此,先發(fā)射再入返回飛行試驗(yàn)器,為后續(xù)的采樣返回器減緩技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是非常有必要的。我們期待著“嫦娥”家族也能像國外的先行者們一樣,取得傲人的成績,為我國未來的深空探索奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。(常飛)

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