今別月宮去 採得月壤歸(科技自立自強・逐夢深空)

北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥五號上升器飛行過程。  新華社記者 金立旺

嫦娥五號探測器月球表面自動採樣。  國家航天局供圖

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12月3日23時10分,嫦娥五號上升器點火起飛,攜帶月壤進入預定環月軌道,實現我國首次地外天體起飛。此前,嫦娥五號探測器經過約19小時月面工作,順利完成月球表面自動採樣。隨後,上升器將把樣品轉移到返回器,返回器將等待合適的月地入射窗口,做好返回地球的準備。

記者從國家航天局獲悉:12月3日23時10分,嫦娥五號上升器月面點火,3000牛發動機工作約6分鐘後,順利將攜帶月壤的上升器送入到預定環月軌道,成功實現我國首次地外天體起飛。

上升器月面點火

經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段

專家介紹,與地面起飛不同,嫦娥五號上升器月面起飛不具備成熟的發射塔架系統着陸器相當於上升器的“臨時塔架”,上升器起飛存在起飛初始基準與起飛平臺姿態不確定、發動機羽流導流空間受限、地月環境差異等問題;此外,由於月球上沒有導航星座,上升器起飛後,需在地面測控輔助下,藉助自身攜帶的特殊敏感器實現自主定位、定姿

點火起飛前,着上組合體實現月面國旗展開以及上升器、着陸器的解鎖分離。此次國旗展開是我國在月球表面首次實現國旗的“獨立展示”,回傳影像顯示,五星紅旗在陽光照耀下,“中國紅”格外鮮豔。

點火起飛後,上升器經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入3個階段,進入預定環月飛行軌道。隨後,上升器將與環月等待的軌返組合體交會對接,將月球樣品轉移到返回器,後者將等待合適的月地入射窗口,做好返回地球的準備。

設計兩種“挖土模式

鑽取和表取互爲備份、先後開啓

12月2日22時,經過約19小時月面工作,探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動採樣,並已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

據介紹,嫦娥五號探測器成功着陸月面後,開展了太陽翼展開、機構解鎖等相關準備工作,之後就進入了“挖土”的工作模式。國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹,此次嫦娥五號探測器自動採樣任務採用表鑽結合、多點採樣的方式,設計了鑽具鑽取和機械臂表取兩種模式。

據介紹,鑽具鑽取主要獲得月面以下的樣品,而機械臂表取則主要獲得月球表面樣品,兩種模式互爲備份。

這兩種模式並不是同時進行。首先開啓的是鑽取模式,截至12月2日4時53分,嫦娥五號着陸器和上升器組合體完成了月球鑽取採樣及封裝。接着,機械臂表取裝置開始在月面自動採樣並封裝,截至12月2日22時,嫦娥五號順利完成月球表面自動採樣,並已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。專家介紹,爲確保月球樣品在返回地球過程中,保持真空密閉以及不受外界環境影響,探測器在月面對樣品進行了密封封裝。

爲了順利完成採樣任務,着陸器隨身攜帶了鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”。中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹,機械臂表取可以想象成類似人手的裝置,在腕關節設有兩個採樣裝置,很像挖土的鏟子;鑽具鑽取則可以鑽入月球內部,鑽取月壤巖芯。它們科學分工,精密配合,採取深鑽、淺鑽、“剷土”“挖土”“夾土”等各種方式,採集月壤樣品並進行密封封裝。

月面地面緊密配合

搭載多種“神器”,爲採樣提供信息支持

在設計過程中,科研人員充分考慮了月面可能會遇到的各種複雜情況,希望能夠儘量多獲取不同種類和數量的月壤樣品。中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器研製團隊進行了幾百次試驗、數十種工況模擬、多次採樣封裝演練,確保採樣過程的可靠性。

而在實際的採樣、封裝過程中,嫦娥五號在月面辛勤“忙碌”着,科技人員在地面實驗室也根據探測器傳回的數據,仿真採樣區地理模型並全程模擬採樣,爲採樣決策和各環節操作提供了重要依據。着陸器配置的月壤結構探測儀有效載荷正常工作,按計劃開展科學探測,並給予採樣信息支持。此外,嫦娥五號還配置了降落相機、全景相機、月壤結構探測儀、月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷。探測器鑽取採樣前,月壤結構探測儀對採樣區地下月壤結構進行了分析判斷,爲採樣提供數據參考。

採樣難度係數

考慮光照條件電源熱控約束

裴照宇在之前接受採訪時表示,“作爲對這次任務的考覈,我們的目標是採樣返回,採到樣品,返回地球,就是成功,不管帶多少,都是成功!”之所以這麼說,是因爲首次月面採樣的難度係數非常高。

彭兢介紹,月面採樣裝置是全新研製的,技術新、難度大,需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束。採樣期間還要面臨月面高溫的工作環境,月球表面白天溫度超過100攝氏度,無人採樣器要在這麼高的溫度下正常工作,挑戰可不小。再加上採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素也很多,這些都增加了首次月面採樣的難度。

據介紹,20世紀六七十年代,美國和蘇聯先後實現有人和無人月球採樣返回。美國實施的是有人採樣方式,在6次登月計劃中採樣量達380多公斤;蘇聯實施了3次無人採樣方式,共採集月壤300餘克

距人類上一次從月球採樣至今,已有40多年的時間沒有拿到新的月球樣品。科學家表示,對月壤的研究不僅涉及月球本身,還包含太陽系空間物質和能量的重要信息。將月球的月壤等關鍵性樣品運回地面實驗室供科學家精準分析研究,有利於進一步瞭解月球的狀態、溫度、物質含量等重要信息,深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識。