中国探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成月球钻取采样及封装

月球 · 2020-12-3 17:24:39

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　　中国探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成月球钻取采样及封装
　据俄罗斯卫星网：俄罗斯卫星通讯社北京12月2日电，中国探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体12月2日4时53分完成了月球钻取采样及封装。
　　据央视新闻客户端援引中国国家航天局消息，北京时间12月2日4时53分，探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。
　　消息说，昨天嫦娥五号着陆月球后，开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。目前，着陆器和上升器组合体正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。
　　据中国航天科技集团微信公众号此前消息，12月1日23时许，由中国航天科技集团有限公司研制的嫦娥五号探测器成功在月球正面预选着陆区着陆，并传回着陆影像图，成为中国第三个成功实施月面软着陆的探测器。
　　中国航天科技集团表示，接下来，持续约2天的嫦娥五号月面采样将正式开始，预计将采集2千克左右的月球样品。
　　11月24日长征五号运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，随后成功将重达8.2吨的嫦娥五号月球探测器一举送入地月转移轨道。嫦娥五号将在太空中独自完成一系列“高难度动作”。它的核心使命是：在月面工作约2天的时间里采集约2公斤月壤样品并带回地球。任务完成后，中国将成为世界上继美、苏之后第三个实现月球采样返回的国家。
　　相关报道：嫦娥登月了！嫦娥五号探测器顺利着陆月球
　　据ETtoday（杨庭蒝）：中国在文昌航太发射场于11月24日4时30分，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器。根据央视新闻报导，中国国家航天局获悉消息，嫦娥五号顺利在1日晚间23时许顺利着陆在月球正面预选着陆区，成为中国第三个成功实施月面软着陆的探测器，并将展开持续约2天的月面工作，采集2千克左右的月球样品。
　　综合陆媒报导，此次嫦娥五号选择在月面西侧风暴洋的吕姆克山（Mons Rümker）进行采样，其中一个原因是因为此地土壤中的铀、钍、钾等放射性元素含量相较其他地方更高，地质年龄也比较年轻，会更有研究价值。
　　相关报道：探测月球处女地嫦娥五号着陆「凶险风暴洋」
　据ETtoday（任以芳）：中国国家航天局最新消息指出，嫦娥五号探测器于1日23时11分，成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区，并传回着陆影像图。央视大幅报导这次任务亮点，首先嫦娥五号落月点至今没有人探测过，堪称是「月球最险峻地方」，这次带回2公斤的月球土让有助于后续科学研究。
　　报导指出，嫦娥五号成功着陆后，开始进行太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作，将正式开始持续约2天的月面工作，采集月球样品。科学家们认为，着陆在此是十分明智的选择。从地球上看起来，这里更像是广阔、黑暗的熔岩平原。这里还从未有过任何人类探测器到访过的足迹。
　　据了解，嫦娥五号的落月点仍属月球探测「处女地」，是月球上最大的月海风暴洋北部的吕姆克山脉附近，周围有1300米高的火山群，环境之险峻。科学家认为，这一区域比起之前美国和前苏联落月采样的区域，从地质上来说，可能存在比较年轻的玄武岩，如果能获得这里新的样本，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。
　　根据观察者网指出，这里和嫦娥三号在月球虹湾着陆点的纬度基本相当，根据研究成果，这块区域形成的地质年代较短，约37亿年。根据任务计划，这次嫦娥五号计划在月球获取2公斤左右的样品并带回地球。
　　该报导称，从嫦娥一号到嫦娥四号多次任务的技术积累，希望在嫦娥五号月球采样任务中能够达到公斤级的目标。为了保证任务的成功，并结合火箭运载能力，采样2公斤是一个较为合理的结果。
　　国家航天局探月与航天工程中心副主任探月工程三期副总设计师裴照宇表示，「我们以两公斤作为输入去设计探测器，这个探测器就达到了8.2吨。如果我们要增加样品的量，整个探测器很多指标都会增长，就会超过火箭的运载能力。」
　　裴照宇说，嫦娥五号任务的主要目标是完成月球采样并返回。当着陆器成功着陆月球表面后，要在有限时间里完成地形勘察、钻取和表取等多项工作。尽管设定了2公斤的采样量，但这并不能作为最终衡量任务成败的标准。
　　相关报道：嫦娥五号探测器完成月面自动采样封装有效载荷工作正常
　据新浪科技：记者从国家航天局获悉，12月2日22时，经过约19小时月面工作，探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。采样和封装过程中，科技人员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依据。着陆器配置的月壤结构探测仪等有效载荷正常工作，按计划开展科学探测，并给予采样信息支持。
　　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、电源等方面的条件约束，依托全新研制的地外天体样品采集机构，通过机械臂表取和钻具钻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，保持真空密闭以及不受外界环境影响，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。
　　相关报道：嫦娥五号月面“挖土”有绝招
　　据环球时报：《环球时报》记者从国家航天局获悉，探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体于12月1日23时许成功着陆月面后，开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。北京时间2日4时53分，着陆器和上升器组合体完成月球钻取采样及封装。目前，着陆器和上升器组合体正按计划进行表取采样。
　　随着采样任务的进行，中国首次进行地外天体采样与封装的目标已经接近完成。为何嫦娥五号任务此次选择了两种采样方式“挖土”？有人采样和无人“挖土”有哪些差异？中国首次去月球“挖土”又有哪些重大意义呢？
　　为何选择两种“挖土”模式
　　据国家航天局介绍，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。
　　航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍称，从完成任务本身来讲，过去人类历史上无人月球采样，只有苏联用钻取方式，他们的钻头中间是一个中空结构，通过把钻头深入到月球表面以下，然后中空的管子里边能够取样。我们过了几十年再采样的话，当然也可以在苏联已经使用的这种钻取采样的基础上，提高技术水平，比如说采更多的样，还有另外一种方式就是换一种采样方法，然后获得不同的样品。所以从这个角度考虑，我们认为单一的采样方式获取的样品形式种类和总量等方面受限制比较多，用两种方式能够获得更多种类、更多数量的样品。另外我们从工程本身来讲，设计钻取和表取这两种方式，可以互为备份。
　　挖完土之后，为了安全带回地球，还要对采集到的样品进行打包，这个过程被探月工程首任总指挥栾恩杰比喻为“装香肠”。他在接受媒体采访时表示，要把钻取的岩芯部分装进一个包裹，这个包裹形状是长的，像个香肠一样，把样本紧密地包裹好，封装好。这些土壤不能在转移到地球的时候被污染了，因为地球和月球环境不一样，有些物质一定要在非常洁净的环境下保存。
　　俄罗斯科学院航天研究所核行星学科室主任伊戈尔·米特罗法诺夫2日在接受俄卫星通讯社采访时表示，“嫦娥五号任务是创新型的，并不是其他国家以前完成的项目的重复。”米特罗法诺夫解释说，独特之处在于，探测器带着货物返回时，两个设备将自动在绕月轨道上对接，这还是有史以来第一次。第二个特点是计划采集的月壤样品约为2公斤。这是苏联探测器带回到地球样品质量的10倍（原文如此——编者注）。
　　采集月球“土特产”，有人无人哪家强
　　相比嫦娥五号此次的创新性采样方式，在冷战时期美苏则采取了不同的采样方式。据航天专家介绍，1969年7月至1972年12月，美国通过“阿波罗11号”到“阿波罗17号”载人飞船实施了7次载人登月任务，除了“阿波罗13号”因故障中途返回，其余6艘飞船皆完成登月，成功将12名航天员送上月球，共带回月壤和月岩样品约381.7公斤。
　　而苏联“月球16号”“月球20号”和“月球24号”3个无人月球探测器进行3次月球采样返回任务，带回的月球土壤样品300多克。除了月球采样，人类还对彗星、小行星等地外星球进行了无人采样返回探测。
　　全国空间探测首席科学传播专家庞之浩对《环球时报》记者表示，载人飞船从月球采样返回，不仅采集量大、选择性强，而且采集范围可以很广，因为航天员可以到舱外活动，还能乘月球车漫游到比较远的地方去采集月球样品。例如，美国“阿波罗”系列任务采样位置的地理分布、地质特征就非常丰富。也有专家认为，有人采集更大的优点，是可以在任务中随机应变，处置不同情况。
　　不过，有人采样使得航天任务的难度和成本大大增加。中国航天科工集团二院研究员杨宇光认为，一艘“阿波罗”飞船重约45吨，而苏联的“月球”系列无人采样探测器重量不足6吨。同时，载人飞行任务对安全性、可靠性以及生命保障系统等要求很高，这都直接影响着工程规模及成本。
　　月球“挖土”意义重大
　　米特罗法诺夫表示，根据观测数据，中国着陆和采样区域的月壤具有更高的天然放射性元素浓度。先前美苏带回的土壤年龄要大得多。对嫦娥五号任务带回的样品进行分析将加深我们对月球地质特性和演化历史的了解。
　　据庞之浩介绍，科研人员通过研究发现，月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒，这些颗粒一般富含铝、硫和锌，它们是在月幔部分融化过程中，于月球表面下约300公里深处形成，因火山活动而喷出到月球表面。通过对样品的分析与实验证实，月壤和月岩中氧化铁的含量很高，从中可以制取水和氧，未来可利用月面物质支持月球科研站的运行，并为登月飞行器补充燃料。更重要的是，科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。
　　相关报道：嫦娥五号探测器完美落月的背后
　　（神秘的地球uux.cn报道）据科技日报：2020年12月1日，嫦娥五号探测器的着陆上升组合体历经主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落阶段，成功完成在月面预定区域的软着陆。这轻盈、稳健的一落，蕴藏着无数航天人的智慧和心血。
　　边飞边找落点
　　对于嫦娥五号来说，落月只有一次机会，必须一次成功。
　　相比嫦娥三号、四号，嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度要求是空前的。由于涉及到采样完成后上升器要在月面起飞，嫦娥五号挑选落点的过程，也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程，其降落区域内不能有太高的凸起、太深的凹坑，坡度也需要符合任务要求。
　　简单说，它是一边飞行一边寻找落点，如同一次从600公里外开始、在15分钟内完成的自主“跳伞”。
　　为了实现“选址正确、落得准确”，嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上成功应用的“粗精接力避障”方式。这种方式，是在由中国航天科技集团五院502所研制的制导导航与控制（GNC）系统指挥下，着陆上升组合体先大推力反向制动减速，然后快速调整姿态，对预定落区地形进行拍照识别，避开大的障碍，实现“粗避障”，之后再斜向落向选定的着陆点，飞到着陆点正上方后改为垂直下降，在接近月面时关闭发动机，落在月球上。
　　探查落月路径的眼睛
　　GNC系统在进行决策时，离不开各种数据支持。由五院西安分院研制的微波测距测速敏感器，如同一双明亮的眼睛，感知着嫦娥五号的落月路径，并向决策“大脑”传递信息。
　　据西安分院微波测距测速敏感器主任设计师张爱军介绍，这部雷达在着陆上升组合体距离月球表面约15公里时开机，在距离月面6公里时正式开始工作。
　　“该雷达可以探测着陆器与月球表面的距离，以及着陆器下降的速度，并向上升器的制导导航与控制系统提供速度和距离的信息，以便着陆器判断降落的落点和速度。”张爱军说。
　　落月发动机有绝招
　　发动机为嫦娥五号安全落月提供了动力保障。不过，靠普通宇航发动机，是无法完成月面安全软着陆任务的。
　　记者从航天科技集团六院了解到，月球是真空状态，没有大气，意味着不能利用空气摩擦实现减速。为完成探测器动力下降、悬停等着陆阶段动作，要求发动机具备推力深度调节能力。
　　2006年，六院正式启动7500牛变推力发动机关键技术攻关。经过艰苦探索，研制团队先后突破“高性能、长寿命推力室”“流量精确调节与稳定”和“发动机系统优化与集成”三大关键技术，发动机技术指标基本满足探测器要求，为后续研制任务奠定了坚实基础。
　　在7500牛变推力发动机鼎力支撑下，2013年12月，嫦娥三号探测器完成了我国首次地外天体软着陆；2019年1月，嫦娥四号探测器实现人类首次月背软着陆。这次，它又护送嫦娥五号着陆上升组合体平稳落在月球。
　　刹车指令员责任重大
　　嫦娥五号落月最后阶段的发动机关机，需要有精准的指令。中国航天科工集团研制的γ关机敏感器，就是落月过程中的“刹车指令员”，责任重大。
　　落月过程开始后，置于嫦娥五号底部的γ关机敏感器便实时测量着探测器与月面的距离。当嫦娥五号落到距月面不足5米高度时，该设备发出关机指令，关闭轨控和姿控发动机。这一瞬间，决定着落月任务的成败。随着发动机反推力的撤离，嫦娥五号得以翩然落月。
　　据介绍，γ射线具备受外部环境干扰小、精度高等特点，因而被应用于对精度、可靠性要求最高的载人航天和探月任务中。此前，航天科工研制的γ高度控制装置已经在神舟飞船任务中成功应用，护送航天员安全返回。
　　嫦娥五号的“腿”不一般
　　离开了发动机的反推，嫦娥五号是以自由落体形式着陆的。虽然月球引力较小，降落高度也不高，但撞击月面时仍会形成一定冲击载荷。
　　这就需要着陆缓冲系统发挥作用，吸收着陆时的冲击载荷，同时保证探测器不翻倒、不陷落。
　　着陆缓冲机构，通俗地说就是嫦娥五号的“腿”，是落月环节的技术难题之一。嫦娥五号的4条“腿”可不一般，它们集缓冲、支撑功能于一体，继承了嫦娥三号、四号的完美基因，由五院机构分系统团队精心设计。
　　记者了解到，该机构采用具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案，保证了收拢简单、展开可靠，能解决着陆缓冲、着陆稳定性等多方面问题。
　　与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比，嫦娥五号任务由于难度增加，着陆缓冲能力要求提高了30%，但机构重量指标却减少了5%。五院总体设计部研制团队最终解决了这个难题。
　　你不知道的精妙设计
　　嫦娥五号落月过程中，还有一些鲜为人知的精妙设计。
　　从表面看，是着陆器“托着”上升器降落到月面，实际上，着陆器上GNC系统的工作，却借助了上升器上的中央控制计算机和星敏感器。
　　中央控制计算机是上升器在月面起飞时要用的“最强大脑”，星敏感器则能让上升器通过“看星星”确定自己的姿态。
　　这样的“合作”，是设计人员结合“上升器全程陪同着陆器”的实际想出的妙招，既节约了成本，又减轻了重量。
　　此外，当着陆器接近月面时，发动机激起的月尘容易让星敏感器“迷眼”，从而影响后续上升器起飞。研制团队专门设计了一个盖子，可以在落月最后阶段把星敏感器的镜头盖起来，他们称之为“天黑请闭眼”。待落月之后月尘散去，再让星敏感器“睁眼”。
　　地月通信的桥梁
　　远在38万公里外经历生死考验的嫦娥五号，一举一动都令国人牵挂。好在通过各种天线和数据传输手段，地面可以跟嫦娥五号保持联系，随时了解它的动态，向它发送指令。
　　在上升器上，装有西安分院研制的测控天线，如同嫦娥五号随身携带的手机，是它与地面之间测控通信的主要依靠。而着陆器拍摄的落月照片，则由该院研制的数传系统实时传回，为地面决策提供依据。
　　相比地面上的手机，地月通信距离远了几万倍，数据发送需要采用特殊的对地定向天线。由五院总体设计部设计的定向天线采用双轴驱动机构，就像人的肩、肘关节，能让反射面天线辐射器灵活转动，始终对准地面。为了满足任务要求，反射面天线的设计轻量化到极致，相比同类天线减重了40%以上。

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