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2020
12-17

嫦娥五号顺利着陆内蒙古,视频回顾“五姑娘”整个旅程!

2020年12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号月球探测器成功“挖土”返回地球并成功着陆祖国内蒙古四子王旗着陆场。

在“五姑娘”为期23天的整个旅程中,主要有11个重大任务,一起回顾下,嫦娥五号往返月球,旅程上百万公里,都经历了些什么?

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视频回顾:


1. 地球→月球

(1) 运载火箭发射至地月转移轨道

11月24日4时30分21秒806毫秒,我国搭载“嫦娥五号”月球探测器的“长征五号”火箭在我国文昌航天发射场成功发射升空,这是“嫦娥五号”首次从月球采样返回任务的第一步。

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。

(2) 地月转移

11月24日22时6分,嫦娥五号探测器3000N发动机工作2秒多,顺利完成第一次轨道修正,继续飞向月球。

嫦娥五号探测器在飞行中,受各种因素影响,会产生轨道偏差,因此在地月转移和月地转移过程中,都需要测定探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差,完成对应的轨道控制,确保探测器始终飞行在适当轨道上。而嫦娥五号任务发射入轨精度很高,所以其轨道修正量一般都不大。

11月25日22时6分,嫦娥五号探测器两台150N发动机工作约6秒。顺利完成第二次轨道修正。

(3) 近月制动

11月28日20时58分,嫦娥五号探测器经过约112小时奔月飞行,在距月面400公里处成功实施3000N发动机点火,约17分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥五号顺利进入环月轨道。

近月制动是探测器飞行过程中关键的轨道控制之一。高速飞行的探测器在靠近月球时,实施“刹车”制动,目的是让其相对速度低于月球逃逸速度,从而被月球引力捕获。

11月29日20时23分,嫦娥五号探测器在近月点再次“刹车”,从椭圆环月轨道变为近圆环月轨道。

(4) 着陆器携上升器分离、轨道器携返回器留轨

11月30日4时40分,在技术人员的精准控制下,嫦娥五号探测器两部分组合体顺利分离。

轨道器、返回器组合体继续在平均高度约200公里的环月轨道上飞行,等待上升器交会对接。着陆器、上升器组合体择机着陆于预选区域,开展自动采样等后续任务。

2. 在月工作

(5) 动力下降

12月1日22时57分,嫦娥五号探测器着陆器、上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降,7500N变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球纵向速度从1.7公里/秒降为零。

期间,探测器进行姿态调整,平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区,着陆过程中,着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。

23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选区域,并传回着陆影像图。

此后,着陆器在地面控制下,进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置,正式开始持续约2天的月面工作,采集两千克左右的月球样品。

将着陆点选择在风暴洋北部位置,航天工作者在工程可行性和科学价值上都有细致的考量。

其一,风暴洋东北部地势平坦,通信条件好,光照和温度较为理想。

其二,风暴洋东北部区域纬度较高,此前人类探测器尚未实地造访过,选择在此着陆采样具有一定的代表性。

嫦娥五号在落月软着陆时还出现了一个“小插曲”,当时的直播画面突然卡顿中断了。究其原因,有部分说法解释为,为了保证星地之间对嫦娥五号着陆器姿态、倾角、速度、月球中立等重要数据传输,直播时的通信带宽不得已被临时“管制”了。

随后,国家航天局公布了由嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后全景相机环拍成像,“嫦娥”翩然落月,脚下的月球一览无余。

(6) 月面工作

在真正采样之前,科研团队在地面模拟了几百种月壤,进行了几千次试验,以尽量保证“挖土”环节顺利进行。

探测器着陆月面后,便按计划进行表取采样。嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合,多点采样的方式,设计了钻具钻取和机械臂表取两种“挖土”模式。

12月2日4时53分,嫦娥五号的着陆器和上升器组合完成了月球钻取采样及封装。

22时,经过约19小时的月面工作,嫦娥五号顺利完成月球表面自动采样,按预定程序将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

采样和封装工程中,科研团队在地面实验室根据探测器传回数据,仿真采样区地理模型并全程模拟采样,为采样决策和各环节操作提供了重要技术依据。

自动采样,是嫦娥五号任务的核心关键环节之一,探测器经受住超过100摄氏度的月面高温考验,克服了测控、光照、电源等方面的约束,依托全新研制的地外天体样品采集机构,通过钻具钻取和机械臂表取两种方式分别采集月球样品,实现了多点、多样化自动采样。

其中,钻具钻取了月面下的月壤样品,机械臂则在末端采样器支持下,在月表开展多种采样。为确保月球样品在返回地球过程中,保持真空密闭不受外界环境影响,探测器在月面对样品进行了密封封装。

嫦娥五号探测器配置了降落相机、全景相机、月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等多种有效载荷,能够在月表形貌及矿物组分探测与研究、月球浅层结构探测等科学探测任务中发挥重要作用。探测器钻取采样前,月壤结构探测仪对采样区地下月壤结构进行了分析判断,为采样提供了数据参考。

3. 月球→地球

(7) 上升器月面上升

12月3日23时10分,嫦娥五号上升器3000N发动机工作约6分钟,成功将携带样品的上升器送入预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

与地面起飞不同,嫦娥五号上升器月面起飞不具备成熟的发射塔架系统,着陆器相当于上升器的“临时塔架”,上升器起飞面临起飞时,有初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异等挑战;另外由于月球上没有导航星座,上升器起飞后,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

点火起飞前,着陆器、上升器组合体实现了月面国旗展开,以及上升器、着陆器解锁分离。

此次国旗展开,是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”。经过科研团队的数据接收和处理,12月4日,国家航天局公布了探月工程嫦娥五号探测器在月球表面国旗展示的照片。

这面特殊的国旗由国产特殊材料制作,重量仅12g。照片中“嫦娥”手中的国旗在阳光的照耀下,呈现出一抹鲜艳的“中国红”。

点火起飞后,上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入预定环月飞行轨道。

(8) 环月轨道对接样品转移

12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体以抱爪的方式连接,并进行交会对接。

6时12分,通过“太空之吻”,上升器将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接,也是世界首次实现地外天体无人驾驶交会对接和样品转移。

值得注意的是,为了精准把握二者最终靠近的时间和地点,科研人员为轨道器、返回器组合体设置了四个停泊点,分别在50公里、5公里、1公里、100米,对最终靠近时间和地点进行精确把握。

(9) 上升器与对接仓组合体,与轨道器返回器组合体分离

12月6日12时35分,嫦娥五号轨道器、返回器组合体与上升器成功分离,进入环月等待阶段。

(10) 轨道器携带返回器地月转移

12月8日6时59分,嫦娥五号上升器按照地面指令受控离轨,7时30分左右降落在月面经度0度、南纬30度附近的预定落点。

国家航天局探月与航天工程专家表示,嫦娥五号上升器已圆满完成使命,受控离轨落月可避免其成为太空垃圾,避免影响国际社会后续月球探测任务,这是中国作为负责任大国对人类和平探索利用太空的重要承诺。

12月12日9时54分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了约6天的环月等待,实施了第一次月地转移入射,从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。月地转移入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道。

12月13日9时51分,国家航天局消息称,嫦娥五号轨道器和返回器组合体成功实施第二次月地转移入射。在距月面230公里处成功实施,四台150N发动机点火,约22分钟后,发动机正常关机。

根据实时遥测数据监视判断,轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道。

后续,携带月球样品的嫦娥五号轨道器、返回器在月地转移过程中进行中途轨道修正,并择机实施轨道器和返回器的分离。

12月14日11时13分,嫦娥五号轨道器、返回器组合体上两台25N发动机工作约28秒,顺利完成第一次月地转移轨道修正。

12月16日9时15分,嫦娥五号轨道器、返回器组合体上两台25N发动机工作约8秒,顺利完成第二次月地转移轨道修正。

(11) 轨道器释放返回器,返回器再回收

12月17日1时12分,嫦娥五号开始进行轨返分离阶段。在距离地面约5000公里时,轨道器与返回器进行分离,最终返回器独自携带月壤样品返回地球。

当返回器返回地球时,为保证返回器安全着陆,采用了半弹道跳跃式返回,就是控制返回器进入大气层的姿态,并且让返回器先后两次进入大气层,第一次进入大气层时,初次减速,下降到距离地面约60公里时,利用返回器大底前端形成的弓形激波让其向上跃起,弹出大气层,之后,再次进入大气层,实施二次减速,就像“打水漂”一样。

经过两次进入大气层后,返回器的速度由11公里/秒下降至约7.6公里/秒。

不过,返回器两次进入大气层时,与大气层会发生摩擦,在返回器周围产生约2000℃的高温,使返回器周围形成等离子体,进而导致地面通讯等电磁波被屏蔽,从而形成黑障区,返回器与地面的通信将会中断,黑障区一般出现在距离地面35~80公里之间,返回器在黑障区打水漂的过程,可以说是生死攸关。

等返回器降落至地面约10km时,其自身携带的降落伞将会打开,继续进行降速,以保证安全着陆。

最终,嫦娥五号的降落地点在内蒙古四子王旗附近,降落后,搜索分队即使对返回器进行回收。


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