阿波罗飞船半世纪前载人登月,嫦娥五号后来居上靠的是什么?

2020-11-26 15:56:51 婧婧的生活日记

公元2020年11月24日凌晨04时30分21秒806毫秒,我国首艘月球采样飞船嫦娥五号在长征五号遥五运载火箭托举下零窗口点火升空。

随后经过程序转弯、助推器分离、抛整流罩、一二级分离、二子级一次关机、937秒滑行、二子级二次开机、星箭分离一系列程序动作,在点火起飞2184秒后嫦娥五号顺利进入112小时地月最优能量转移轨道,正式踏上奔月旅程。

器箭分离中的嫦娥五号

此次发射不仅是嫦娥五号的胜利,更是长征五号系列大推力运载火箭的成功。在遥五任务火箭转运阶段航天人打出“超越梦想飞,誓夺四连胜”标语,如今他们终于圆梦,长征五号遥三、长征五号B遥一、长征五号遥四、长征五号遥五4次发射完胜战绩扎扎实实地提升了进入太空的新能力。

长征五号系列火箭四战四捷

由此笔者不由得想起2017年那些因为遥二任务一时失利唱衰长五的人们如今又当如何自处?一次又一次的生动实践阐明了一个真理:要用发展的眼光看问题。

通过发射直播画面可以看到嫦娥五号有很多太阳翼,轨道器、着陆器、上升器都有,尤其是着陆器不同于嫦娥三号、四号,太阳翼面积几乎扩大了一倍,该设计目的是为了提升供电能力。

嫦娥五号在轨展开太阳翼

着陆器与上升器组合体在执行登月任务时也将选择太阳入射角较大接近月午的时段,目的同样是为了增强供电能力,原因是执行月面采样的机械臂与钻机都是耗电大户。

探测器顺利入轨后航天科技五院终于公开了珍藏已久的嫦娥五号完全体照片,看着这张高清照片熟悉航天的人们不由得联想起半个世纪前连续六次载人登月的阿波罗飞船。

嫦娥五号完全体

的确,两者构型有一定的相似度,比如都由四大舱段组成,阿波罗飞船有服务舱、指令舱、下降级、上升级,可以分别对应嫦娥五号的轨道器、返回器、着陆器、上升器,这是因为二者选择的都是登月返回效能最大化的月球轨道交会对接方案

虽有相似但的是不同,首先二者发射与奔月形态完全不同,嫦娥五号在地面与地月转移飞行段都是合体形态,而阿波罗飞船从始至终都没有公开过四大舱段合体照片,这是因为他们的服务舱/指令舱组合体与登月舱/上升级组合体在地面不对接,只是在进入地月转移轨道后才对接,而在太空也从没有任何一个镜头角度可以囊括四大舱段,所以地球人也就无法看到阿波罗飞船完全体的全景照片。

地球人永远看不到阿波罗飞船合体全景照

诚然造成这种构型组合差异的原因是无人与载人的任务需求问题,然而时隔半个世纪后的嫦娥五号基于时代与技术的进步,在诸多领域不仅实现了对阿波罗飞船的超越,更是当代登月技术能力的手执牛耳者。那么,这是大言不惭还是言之凿凿?

嫦娥五号从发射到返回前后将用时23天,在整个任务周期里有23次轨道控制、6次重大分离,以及动力下降与月面上升等高难度操作,总体可以概括为11个重大任务阶段,其中最能代表嫦娥五号引领超越的当属月面软着陆、月球轨道交会对接、月地轨道再入返回三大阶段。

嫦娥五号近月制动

在经过112小时地月转移轨道飞行与绕月飞行后,嫦娥五号着陆器与上升器组合体将择机登月,它所使用的具有世界领先水平的登月控制技术得到了嫦娥三号、四号两次任务的完美实践检验。

嫦娥三号、四号、五号着陆器平台技术一脉相承,着陆执行机构都有用于动力下降的7500N变推力发动机,同时配置有多台150N、10N推力器用于姿态控制与机动。

除了复杂的执行机构最难的还是自主导航技术,任你发动机如何力大飞砖如果没有明眸的双眼照样鸡飞蛋打。

嫦娥四号着陆执行机构

阿波罗飞船在登月行动中主要靠宇航员的肉眼与手动操作实现着陆,比如月面安全着陆区的选择与着陆目标点数据都是手动注入,在距离月面150米高度时则必须依靠宇航员手动控制。

NASA宇航员手控登月舱地面训练画面

即便如此阿波罗11号任务还是出现了意外,在着陆段仅剩60秒时宇航员阿姆斯特朗发现着陆点有一座直径180米的环形山,如果不是他手疾眼快操控飞船越过障碍就会径直撞向环形山。

NASA也有勘测者系列无人登月器,但也都是人为选择开阔平坦区域着陆,并没有自主避障能力。

勘测者月球探测器(模型)

与阿波罗飞船不同的是,我国嫦娥三号首次登月就应用了全自主避障系统,在整个登月下降阶段没有一丝一毫的人为干预

想要安全落月首先是建立下降弹道,然后在接近月面时启动避障系统。以嫦娥三号为例,其登月行动是从距离月面15公里高度开始,全程包括着陆准备段、主减速段、接近段、悬停避障段、缓速下降段五大阶段,当着陆器进入接近段与悬停避障段时将基于敏感器获取的平面与立体影像将视野内区域划分网格,尔后基于设计的算法程序选择安全着陆区与着陆点。

嫦娥三号落月各阶段示意图

如果视野内没有理想的安全着陆点,那么算法会根据月面坡度选择最优位置着陆,这种极端情况在嫦娥四号任务中得到了充分验证。

我国嫦娥探月工程从一开始就立足于形成全月面到达能力,攻克月球正面登陆任务后作为嫦娥三号备份产品的嫦娥四号执行的是复杂月背地形登陆任务

嫦娥四号着陆点位于月球背面艾特肯盆地冯卡门撞击坑,该着陆点周围存在近万米的高度差,嫦娥四号因此修改了登月弹道,由嫦娥三号的倾斜轨迹改为垂直下降,这样一来不仅对动力系统要求更高,机动避障时间也更短,同时着陆点地形相较于嫦娥三号也更复杂。

嫦娥四号落月快速调整段

后来成功登月的事实证明我们的自主避障系统是可靠的,尤其是当玉兔二号将拍摄着陆器的高清照片回传地球后发现,嫦娥四号着陆在了一个倾斜坡面上,而周围都是撞击坑,由此可见避障系统自主决策的正确性之高,以及着陆平台优异的稳定性。

嫦娥四号在满是撞击坑的复杂月面着陆

要知道在距离月面2米高度发动机要关机,探测器是靠着陆腿吸收最后的冲击能量,通过回传地球的降落视频可知,着陆器本体没有因为倾斜坡面条件下的冲击力产生丝毫跳动,而是非常平稳的落月。

有人会说你拿人家半世纪前的技术对比好意思么?那咱们就说说21世纪的事。

本世纪第一个十年大洋彼岸推出了旨在载人重返月球的星座计划,服务该项目的登月舱计划使用基于激光雷达的自主避障系统,但在奥巴马上台后星座计划被一纸命令终结,这套自主避障系统仅仅推进到方案设计阶段就无疾而终。

星座计划登月舱想象图

与星座计划戛然而止相反的是我国嫦娥三号2008年立项,用时5年研发后被成功部署于月球正面虹湾着陆区,而它所用的自主避障系统则是比星座计划的激光雷达更进一步,研制出了基于机器视觉理念的全自主避障系统,配置有导航惯性测量单元、激光测距、光学成像、微波测距、激光三维成像等一系列敏感器。

嫦娥落月平台激光三维成像

自上世纪八十年代末以来至今大洋彼岸已有三次重返月球计划,但在这几十年时间里总是在下马与上马之间来回折腾,最新的阿尔忒弥斯计划又面临延期可能

就是在这走走停停的过程中,太平洋另一头的我们已经成功实施两次登月行动,并即将在嫦娥五号任务中迎来新质变,两相对比可以发现这是一个多么经典的龟兔赛跑故事。

嫦娥五号

正所谓一步赶不上步步赶不上,除了安全落月技术,大洋彼岸在深空轨道无人交会对接领域再一次落后于我们

阿波罗飞船在整个任务行程中有两次交会对接,一次是地月转移轨道段指令舱与登月舱对接,一次是月面上升后上升级与指令舱对接,两次对接都需要宇航员肉眼观测并操控飞船对接,自主对接能力非常弱。

阿波罗登月舱手动对接

而我国嫦娥五号将实施人类首次深空轨道无人交会对接任务,此次对接发生在嫦娥五号着上组合体完成月壤标本采集之后,上升器携带月壤样本从月面起飞并在环月轨道与轨返组合体对接。

掌握空间交会对接技术的玩家全球至少有3个,但深空航天器自动交会对接技术却是我国独有。

通常近地轨道交会对接航天器可以获得地面测控网与导航卫星的帮助,以知晓追踪航天器与目标航天器的空间位置,在此基础上通过航天器执行机构进行轨道控制,进而实施对接。

神舟十一号与天宫二号对接

深空航天器因为远离地球无法得到导航卫星提供的空间位置信息支持,因此对自主性提出了更高要求,而嫦娥五号就具备完全自主的交会对接能力。

深空无人交会对接首先要解决精确测定轨问题,我国已经建成覆盖全球的深空测控网,佳木斯深空站66米口径全可动测控天线、喀什深空站4座35米口径测控天线、萨帕拉深空站35米口径测控天线,加上中科院VLBI天文观测网的多部大口径射电望远镜,届时这些重量级天线将对嫦娥五号月球轨道交会对接任务进行联合干涉测量。

服务嫦娥五号精确测定轨的深空测控体系

在解决精确测定轨问题后,月球轨道航天器交会对接还得解决近距离交会难题,距离越近地面测控网的支持难度就越大,为此嫦娥五号应用了新一代空间交会对接光学成像敏感器,它可以在0至250米范围内获取位置和姿态高精度导航数据,且不受太阳光干扰具备全天候运行能力

测量敏感器地面试验组件

嫦娥五号轨返组合体质量远大于上升器,如果沿用神舟飞船的异体同构周边对接机构就会出现轨返组合体将上升器撞飞情况,为攻克这一难题新一代抱爪式弱撞击对接器应运而生,当两器接近时抱爪式机构会提前运作将上升器抓住,尔后自动锁紧,这样一来上升器就不会被撞飞。

抱爪式对接机构

拿下深空轨道自主交会对接技术至少有两大利好,首先接下来执行载人登月任务时对接任务可靠性将远超阿波罗登月,更重要的是该技术将服务2028年火星采样返回任务。

要知道火星距离地球最远4亿公里,测控通信时延来回有几十分钟,地面支持力度会更弱,而全自主的嫦娥五号交会对接技术经过优化设计后可直接应用于火星轨道交会对接。

月地轨道再入返回是月球采样返回以及载人登月任务的最后一道关卡,6年前我们专门发射了探月三期工程先导星嫦娥5号T1试验器,验证了第二宇宙速度再入技术,该探测器返回舱从月球返回后成功着陆于内蒙古四子王旗主着陆场。

嫦娥5T1月球近旁转向拍摄的画面

航天器以第二宇宙速度再入地球大气层将产生近3000摄氏度高温烧蚀,这一指标远超近地轨道航天器的再入热流烧蚀数值,因此需要进行特殊设计。

阿波罗飞船采用的是半弹道式直接再入,也就是硬抗3000摄氏度热流烧蚀,有人认为这是很厉害的技术,恰恰相反这是落后的表现。

阿波罗11号指令舱(返回舱)

解决防热烧蚀难题无外乎两种手段,一种就是像阿波罗飞船那样硬抗,手段就是加大防热材料的敷设量,这样一来虽然可以抵御高温烧蚀,但带来了返回舱重量超重,压缩宇航员舱内生产空间等问题。

另一种手段就是设计跳跃式弹道使返回舱具备二次再入能力,返回舱首次再入大气层抵达60公里左右高度时利用质心偏移以及返回舱大底形成的弓形激波反弹回宇宙,尔后经历大气层外自由飞行段后二次再入大气层,此时返回舱承受的热流烧蚀数值将与神舟号飞船返回舱一致,防热烧蚀材料用量将大大减少,返回舱可以做得更轻质。

高速半弹道跳跃式再入返回

当年阿波罗飞船在设计时也曾想选择这种跳跃式弹道,但受限于星载计算机导致无法应用。

如今服务阿尔忒弥斯载人重返月球计划的猎户座载人飞船也将应用跳跃式再入方案,然而当他们还在纸上谈兵的时候我国嫦娥5号T1、新一代载人飞船试验船已经工程应用。

跳跃式再入返回的新一代载人飞船试验船

除了上述列举的三大技术领域,嫦娥五号的引领反超案例还有很多,比如返回舱减速伞轻量化设计与制备,我们早在嫦娥五号T1任务中就做到了世界第一的轻质水准。

再比如月壤样本的采集封装,阿波罗飞船采集了数百公斤月壤几乎没有应用封装技术,导致很多月壤科研工作受限,当时其实已经发现月壤中有水的存在,但因为样品受到污染导致没有拿到确凿证据。

嫦娥五号月壤样本容器采用了多级封装设计,届时我们将获得原原本本不受污染的月壤样本,回到地面后不仅可以获取一大批科学成果,还将加深对月球环境的认知,服务后续载人登月以及月面科研站的建设工作。

月壤样本容器在轨转移

为什么占据世界航天头把交椅半个多世纪的大洋彼岸会在一个又一个技术阵地上失守,进而被我们拿下?

归根结底是其保持可持续发展定力的欠缺,在这样的背景下无论有再雄厚的技术积累最终也将在走走停停的过程中逐渐处于下风甚至是落后的境地,而这也是我们要吸取的经验教训。

近日探月总师吴伟仁一段去年参加航天日文艺晚会的视频被挖掘出来,他表示要将一部分嫦娥五号采集的月壤样本放置在湖南省:

不忘初心,牢记使命

无论走得多远也不能忘记来时的路,航天事业能有今天的成就最该感谢的就是这位老人家,是他带领航天人拿下了撬动世界格局的两弹一星工程,创造了影响深远的两弹一星精神。

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