被烧得几乎“面目全非”,嫦娥五号返回舱“归家之路”有多坎坷?

2021-12-06 07:00:08 你好科普

中国有着几千年的文化底蕴,不论古今都是才人辈出,有人说中国人骨子里面透着一股“浪漫”,这句话说得并不假,从中国发射的航天探测器的命名当中就能看得出来。

从古到今我们对于浩渺宇宙的向往便是无穷无尽的,哪怕是在古代科技并不发达的时候,在明朝也有一位叫做万户的人毕生愿望就是登上月球。

在我们现代也有越来越多的年轻人投身航天事业,为的就是帮助我们更好地找到宇宙对于人类科技发展的帮助。

航天探测器

我们的航天探测器在起名上面也大有讲究,“悟空”,“墨子”又或者是“天问”,“祝融”等等,我国现代的航天项目的命名无疑纪念的是中华上下五千年的历史和神话故事。

同时也为了纪念那些对宇宙有着无限热忱的古人。其实从人类社会开始变革之后,世界各国对于宇宙的探索也从未止步。

二战结束后,美苏两国就开始以航空航天实力为依托进行激烈角逐,和其他战争带来的不同,这场关于太空的竞技之战带来的反而是全世界对于宇宙探索实力的优秀模板。

甚至在科技并不发达的五十多年前,美国就已经完成了载人登月的目标。虽然在当时我们国家并没有足够的实力完成这一目标,但是在我国科研人员的不懈努力之下,近年来我国的航天实力也在不断增强。

美国载人登月

在1972年12月美国阿波罗登月计划成功结束之后,美国的宇航员采集了一部分月壤来供科学家们研究,在中美建交之后,美国也送给了我们国家1克的月球岩石标本。

以供科学家来进一步研究月球的土壤组成。而现在中国也成为了“月壤大户”,这都有赖于我们国家研发的“嫦娥五号”探测器。

嫦娥五号也被人们亲切地称为“嫦五姑娘”,这个外号的由来一部分是因为第一嫦娥在我国古代是居住在月宫的仙女,而另一部分是源于嫦娥五号的外表,外表白白净净的“嫦五姑娘”不负众人所望的完成了既定的目标。

中国曾经展出的一份月壤样品

嫦娥五号返回时被烧得面目全非

与前几次探月目标不同,嫦娥五号任务当中最重要的任务就是采集月壤并顺利返航,但是可能有很多关注航天发射的人发现了:

“嫦五姑娘”去的时候白白净净,但是回来的时候却是“灰头土脸”的,几乎被烧得“面目全非”。那么嫦娥五号返回舱在返航的时候究竟经历了什么呢?

嫦娥五号的任务实施单位是中国国家航天局,它的主要组成分为五大系统,分别是工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控与回收、地面应用这五大部分。

不同的系统负责的单位也各有不同,但是其实整个中国的“探月工程”当中围绕的就是三个步骤——“绕、落、回”。

嫦娥五号运载火箭发射

并且对于带有采集目标的嫦娥五号来说,重点就在第三个“回”字,能否在采集任务完成之后顺利返航其实在一定程度上是判断嫦娥五号是否顺利完成任务的重要“指标”。

不过在科研人员的不懈努力之下,嫦娥五号顺利升空并采用了无人技术实现了在月采壤的任务,带回了重量达1731克的月球土壤样品。

此次航天任务的完成也标志着月球样品科学研究工作正式启动。在中国科学家通过研究嫦娥五号采集的样品当中也发现了全新的内容,就是关于月球的“年龄”问题。

在2021年10月9日,我国的中科院在新闻发布会上宣布,月球的岩浆活动应该是已经持续了20亿年左右,足足比之前推测的延长了约8亿年。

嫦娥五号探测器

因为嫦娥五号带回的玄武岩形成的年龄大约在20亿年左右。探月工程的成功实施其实更大地向世界展现了我国目前强盛的科研实力。

因为嫦娥五号任务其实是我国目前复杂度最高的航天系统工程,同时在全世界有着令人瞩目的科学价值。

可以说一个探测器的顺利作业要考验的技术是很多方面的,探测器要想顺利升空必须要满足的就是速度问题。

要想让探测器“逃离”地球引力然后着陆于地外天体就必须要涉及到一个速度问题,发射探测器用到的是宇宙速度。

嫦娥五号探测器组合体的一部分

要想实现不同的探测目标,就要用不同的速度来发射探测器,比如说如果想要让人造卫星环绕地球不断做“匀速圆周运动”就必须要用到第一宇宙速度。

如果想让航天器完成进入环绕太阳运行的任务的话,探测器需要达到的速度是第二宇宙速度。也就说明探测器的任务如果是摆脱地球引力,飞离地球去探测其他的行星,这时候就要去探测器的速度需要高过第二宇宙速度。

宇宙第一速度 可以让航天器做绕地匀速圆周运动

如果想让航天器逃离太阳系,需要满足的速度就是第三宇宙速度,这时候航天器不仅要挣脱地球的引力还要挣脱太阳的引力,达到16.7千米/秒以上,探测器才能达到飞往太阳系以外的目的。

而嫦娥五号返回舱被烧得几乎“面目全非”也是因为速度的问题。从地球向外发射飞行器的基础速度是7.9千米/秒,也就是第一宇宙速度的数值。

但是根据科研人员研究嫦娥五号的返程速度几乎已经接近第二宇宙速度也就是11.2千米/秒了。

第三宇宙速度可以让航天器“逃离”太阳系

“音障”,“热障”和“黑障”。

高速的飞行,使得探测器不得不面临近乎“致命”的影响,这也被称为是飞行器运行的“三大障碍”,“音障”“热障”和“黑障”。

“音障”在1945年英国试飞飞机时曾给英国带来了惨烈的影响,因为在当时并没有意识到接近音速飞行可能会导致机体表面无法承受强压,形成局部超音速区。

所以英国最终还是无法顺利以超越音速的速度飞行。也因为没有意识到这个问题,导致英国试飞的飞机机身破裂,飞行员也不幸去世。

战斗机突破“音障”

但是随着科技的发展人们逐渐发现了采用后掠翼等先进其气动布局等应对措施可以帮助飞行器突破“音障”,最终在1947年,人们第一次实现了超音速飞行。

“音障”问题被突破之后,科学家们研制超音速飞机的进程逐步加快,但是渐渐地人们发现当高速飞行的时候,飞机的机身会跟空气进行摩擦生热。

在飞行达到一定速度之后,机头的温度甚至可高达300度,这便是“热障”。高温之下不仅整个机体会面临结构变形的风险,内部的精密仪器尤其是仪表盘等设备都会失灵,甚至极有可能面临内部燃料爆炸或者是燃烧等危机。

航天器返回得面临“热障”

“黑障”指的则是在大气层当中飞行器容易面临的通讯问题。当飞行器高速返回地球的时候,在大气层当中很容易会与地面通信失去联络。

在飞行器逼近大气层的时候强烈的高温可能会使机体严重变形,最终坠毁,在这期间地面的工作人员也是完全无法与飞行器正常联系从而得知飞行器的状况如何。

导致嫦娥五号返回舱外表被烧得“面目全非”的原因就是“热障”,因为嫦娥五号返程的速度已经远远超过了宇宙第一速度,甚至接近第二宇宙速度。

航天器返回会进入一个“黑障区”

11.2千米/秒的速度转化的热能足以让整个嫦娥五号燃烧起来,所以我们在嫦娥五号返程的实时直播上都可以很直观地看到整个嫦娥五号的机身在飞行的时候都是接近红色的,像一个火球一样。

在飞行器降落的时候,需要让飞行器降落的速度尽可能降低,才能最大程度地保障返回舱的安全着陆,但是返回舱的速度降低就会导致返回舱需要长期处于高温并且温度还在逐渐上升的状况之下。

这也是我们嫦娥五号外表被烧得几乎面目全非的原因。各国的科学家都在不断地尝试对抗“热障”的措施,高温对于飞行器的承载能力也是一个巨大的考验。

被烧得面目全非的航天器

因为高速的飞行一定会带来高温。但是随着科学家们不断地实验,科学家们似乎发现了可以突破“热障”的方法。也就是摸清楚“热障”出现的临界速度。

除此以外减少热障对于舱体的影响的方法还有用抗高温的耐热材料来覆盖飞行器顶端等方法,我国的科学家在对于嫦娥五号采取的方式便是这一方法。

这一方法就是利用某些耐热耐烧的材料做成防热层,在防热层接触的高温的情况下,防热层会被烧掉,但是从另一方面来说,防热层也会带走大量的热量,这样才得以保护内部的结构不受高温的侵袭。

被烧黑的航天器

所以说,虽然牺牲了洁白的外壳,但是嫦娥五号返回舱最终还是顺利地将月壤带了回来。不出科学家们的意料,返回舱外表已经被完全的碳化,所幸的是内部的仪器和样本并没有损伤。

并且除此以外,嫦娥五号的归家之路还面临了很大的危机,在第一次进行大气层的时候,嫦娥五号的外壳就已经遭遇了一次灼烧。

然而在嫦娥五号距离地面只有60公里左右距离的时候,又被大气生力反弹了回去,紧接着返回舱又尝试第二次进入大气层,这才得以成功着陆。

嫦娥五号

所以说其实嫦娥五号的“归家之路”非常坎坷,因为运用在嫦娥五号之上的很多技术都是最新才研发并且开始使用的,嫦娥五号的顺利发射以及返航也突破了我国航天的许多全新的技术层面。

嫦娥五号的发射具有很大的历史意义,嫦娥五号不仅给我国的科研内容带来了很大的帮助,从另一层面来说,也标志着我国的航空航天技术已经达到了一个全新的高度。

嫦娥五号航天器

嫦娥五号是我国首个在地外天体之上自动采样并且在月球轨道之上无人对接的探测器,对于我国月球样品存储与研究系统的建立提供了很大的帮助。

飞天梦是我国数代航天人的执着梦想,也是对于人类社会发展探索的有力帮助,相信随着科技的发展,我们的相关技术只会越来越先进,实现“上九天揽月”的卓越梦想。

嫦娥五号航天器

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