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嫦娥五号创造中国航天史上多个首次

作者: 倪伟 来源: 新京报
2020-12-05 08:23 
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12月1日23时11分,嫦娥五号探测器着陆月球表面;12月3日23时10分,完成月表工作的嫦娥五号上升器点火起飞。钻取完成、采样结束、点火起飞……一系列操作在这48小时里按计划顺利进行,每一步都是中国航天领域的首次尝试。

虽然在地球上经过成千上万次试验,但由于月表复杂、极端的环境,以及导航的“鞭长莫及”,很多关键动作只能依靠探测器自主决策,每一步都蕴含着风险。

●月面采样

采用两种“挖土”模式“人工智能”助力

嫦娥五号月面工作为期2天,实际采集样本时间为19小时。在整个嫦娥五号任务中,最核心关键的操作就是自动采样和封装,需要考虑探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束。

航天科技集团五院设计师为嫦娥五号设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。钻取是利用钻头钻进月表2米深处,采集深层样品;表取是在降落点附近月球表面多点采样,采集月表样品。据钻取系统研制单位航天科技集团五院529厂介绍,采样的钻头具备对8级硬度岩石的钻进能力,针对不同颗粒度月壤,会采取切、削、拨、挤、排等不同操作。此外,钻取系统有“人工智能”的帮助。在经过上千次试验后,形成不同工况的钻取参数数据库。数据库支撑月表工作决策,钻头在月表遇到不同工况,钻取系统可以在“回转”“冲击”和“回转+冲击”三种模式中自由切换,适应复杂的情形。

嫦娥五号带回的样品重量被设定为2千克,这是依据探测器运载能力等因素综合考虑的。中国科学院国家天文台研究员郑永春表示,从科研需求角度来看,2千克样品已足够支撑科学研究。随着科技的进步,科学家希望得到的是在月球多个区域的取样。此次嫦娥五号采样的地点,正是此前人类探测器从未到过的区域,有望为月球火山、地质活动演化带来新的研究成果。

●月面起飞

没有“地勤”支持着陆器做“发射塔架”

12月3日23时10分,完成月表工作的嫦娥五号上升器点火起飞,这是我国航天器首次在地外天体起飞。

这与在地面发射火箭不同,地面有完善的发射场系统和保障团队,起飞位置和姿态可以精准测算,保障措施齐全。但月面起飞没有“地勤”支持,一切都靠自己,还必须一次成功。

起飞时,着陆器就是上升器的“发射塔架”。上升器在起飞前数小时进入准备程序。地球上的科研人员根据上升器姿态和位置等数据,计算上升器起飞时间、姿态轨道调整参数等数据,远程注入上升器的控制系统,设定预定起飞时刻。

预定起飞时刻来临,主发动机自行点火。在起飞最初一小段距离,上升器不进行姿态调整,之后会迅速调平,竖直上升。到达一定高度后,按照既定程序拐弯,以一定角度转入轨道入射段。整个过程约6分钟,飞行约250公里,上升器顺利进入了交会对接初始轨道。

上升器进入交会对接初始轨道后,还要进行多圈飞行,完成4次远程导引,来到轨道器和返回器组合体斜上方位置,准备交会对接。对接成功后,上升器将采集的样品转移到返回器里,然后分离,完成使命,留在环月轨道上。

●月面展旗

1秒内完成系列动作国旗选材超过1年

完成了样品采样和封装,在起飞回家之前,嫦娥五号还做了一件事:展开五星红旗。

这面国旗很轻,重量只有12克,被收纳在“旗杆”里,固定在基座上,一直处于密封状态。展旗的时候,经过解锁、支架展开、支架固定等步骤,以卷轴形式打开,一系列动作在1秒钟内完成。

此次展旗也创造了中国航天的一个首次。嫦娥三号、四号在月球展示的国旗,都是喷涂在探测器上,不需要特别操作。而嫦娥五号的国旗是独立的机构,有展开的动作,也是唯一一面织物国旗。

据嫦娥五号月面国旗展示系统研制方航天三江九部介绍,因月面的极端环境,温差在正负150摄氏度间,单一纤维和纺织工艺无法满足要求。普通国旗放在月球上,会迅速褪色、串色,甚至分解。选材花费了超过1年的时间,研制人员对数十种纤维材料做了大量物理实验,最终选出一种新型复合材料,能够在月球实现不褪色、不串色、不变形。

为了控制重量,研制团队还对结构优化设计,尽量将结构件做薄、做小。比如旗杆顶端用来固定的球做成空心,重量小到极致。加工人员从玩具扭蛋中得来灵感,制作两个半球,用螺纹组合为完整球体。这项工艺相当于在头发丝上做微雕,还获得了发明专利。(记者 倪伟)

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