到2021年12月,我国月球探测工程嫦娥五号采样返回任务已成功实施一周年。
嫦娥五号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器组成,这个团队就像接力队一样,通过“接力”方式,把月球样品送回地球。
嫦娥五号探测器示意图
那么,为什么不派一个成员,独自完成“取宝”任务呢?
这是因为采样返回任务工况复杂,无法由一个成员单独完成。团队成员分工明确,各有各的任务:
轨道器
轨道器负责“飞得到”,即与运载火箭分离后,负责把着陆器、上升器和返回器送到月球轨道,完成采样任务后,再把返回器送回地球附近。
着陆器
着陆器负责“下得去”,即到达月球轨道并与轨道器-返回器组合体(简称“轨返组合体”)分离后,负责带着上升器,在月面软着陆,并与上升器一起,完成月面采样。
上升器
上升器负责“上得来”,即完成采样任务后,带着月球样品从月面起飞,与在月球轨道飞行的轨返组合体交会对接,并把月球样品转移至返回器内。
返回器
返回器负责“落得下”,即当轨返组合体回到地球附近后,与轨道器分离,再入大气层,把月球样品送回地球。
首先,轨道器的作用相当于太空摆渡车,起着在地月之间往返运输的作用。由于地月之间路途遥远,在飞行过程中需要多次变轨,到达月球附近时,还要进行制动减速,以便被月球捕获;在“拿”到月球样品后,再通过加速摆脱月球引力,飞回地球。这些工作需要轨道器的发动机和控制系统来完成。而返回器没有发动机,不依靠轨道器进行摆渡,无法完成地月往返任务。
其次,由于月球没有大气层,从月球轨道着陆月面,只能通过发动机反推,产生制动力,降低着陆器的速度,才能实现软着陆。返回器没有发动机,不能实现软着陆;轨道器虽然有发动机,但是由于轨返组合体质量很大,约4.5吨,着陆月面和从月面起飞,都需要消耗很多推进剂,而轨道器还承担着把返回器送回地球的任务。所以,到达月球轨道后,轨返组合体进行不消耗推进剂的环月飞行,而由着陆器和上升器(简称“着上组合体”)着陆月面,完成采样任务。
着上组合体着陆月面示意图
第三,完成采样任务后,需要从月面起飞。而着陆器的重量近3吨,从月面起飞需要消耗大量推进剂。为了减轻起飞重量、减少推进剂消耗,需要把已经完成任务的着陆器留在月面,充当上升器的起飞平台,而由重约0.8吨的上升器从月面起飞,并通过与留在月球轨道的轨返组合体交会对接,把月球样品转移至返回器内。
上升器飞离月面示意图
上升器与轨返组合体
在月球轨道上交会对接示意图
最后,要想把月球样品送回地球,必须再入大气层。由于返回器飞行速度非常高,与大气层摩擦会产生很多热量,如果不在外形设计和材料选取方面采取防热措施,返回器会在再入过程中烧毁。只有进行防热设计的返回器,才能安全再入大气层,同时由于其质量较小(约0.3吨),可以通过降落伞减速后,平稳着陆地面。而没有进行防热设计的轨道器、上升器均不具备再入大气层的条件。
返回器带着月球样品返回地面
嫦娥五号月球采样团队经过23天的运行,只有返回器带着月球样品返回了地面;完成任务的着陆器留在了月球表面;上升器移交完月球样品、与轨返组合体分离后,按照地面指令受控离轨,降落在月面预定落点;而轨道器在完成地月往返运输任务后,又被赋予了新的使命,先去探测了日地拉格朗日L1点,再从日地拉格朗日L1点返回了月球,截至月球采样一周年时,仍在月球轨道上运行。
来源/《太空探索》2022年第1期
文/张铁钧
编辑/杨斯爽
审核/杨洁
监制/徐春梅
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