嫦娥五号任务完成意义重大

嫦娥五号任务完成意义重大

在闯过了月面采样封装、上升器月面起飞、月球轨道无人交会对接、超高速再入返回等一系列难关后,嫦娥五号探测器的返回器终于在2020年12月17日把1731克月球样品带回地球,使我国成为世界上第三个在月球采样返回地球的国家,是我国航天事业发展中里程碑式的新跨越。

大量的理论研究和探月实践都表明,探月具有科学、技术、经济和政治多方面的意义,能产生巨大的效益。所以,越来越多的国家或组织甚至私营公司都在积极开展探月活动。

目前,世界月球探测有三种常用方法:一是环绕探测,主要用于对月球进行综合性普查;二是着陆和巡视探测,主要用于对月球进行区域性详查;三是采样返回探测,主要用于对月球进行区域性精查,即把月球样品运回地球让科学家在实验室进行详细研究。这三种探月方式有明显的递进关系,每一步都是对前一步的深化,并可为下一步奠定基础,最终达到全面、深入了解月球的目的。

2004年我国开始实施的月球探测工程,即“嫦娥工程”,就是采用这一“三步走”的发展战略,现已按预定计划先后完成绕月探测、落月探测和采样返回探测。我国先用嫦娥一号、二号完成了绕月探测任务,然后用嫦娥三号、四号完成了月球着陆和巡视探测任务,最终用嫦娥五号完成了无人月球采样返回探测任务。

嫦娥五号任务的完成为我国“嫦娥工程”的“绕、落、回”三步走发展规划画上了圆满句号。而比我国早或基本同时起步的欧洲航天局、日本和印度目前仍只完成了绕月探测。2019年,印度和以色列曾试图进行落月探测,但因技术原因均失败了。由于我国掌握了大功率变推力发动机和智能避障着陆等先进技术,所以嫦娥三号、四号和五号均顺利在月面着陆,其中嫦娥四号还是世界上第一个在月球背面软着陆的探测器。

嫦娥五号是我国迄今为止系统最复杂、技术难度最大的航天工程,面临许多技术挑战,因为任务中有不少环节对我国而言都是首次实施,但所有的困难最后都一一克服了。此次任务的成功实施至少有三大工程意义:

一是突破了月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、地球大气高速再入等许多关键技术,从而大大提升了我国航天技术水平。

二是实现了首次地外天体自动采样返回,从而推进了我国科学技术重大跨越。

三是完善了探月工程体系,为我国未来的载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。这次采样返回任务采用了月球轨道交会对接方案,这种方案也适合载人登月。

尤其是嫦娥五号实现了我国开展航天活动以来四个“首次”:

一是首次成功在月面自动采样。在月面上采集样品时,着陆器上的采样装置要在月球低重力环境下具备钻孔、铲土和输送等能力。采样完成后要进行没有任何污染的封装。在月球低重力环境中能否完成无人采样封装是一个较大挑战。由于准备充分,实际完成得很顺利,2天的任务,只用了19个小时就完成了。

二是首次成功从月面起飞。采集的样品封装到上升器后,上升器要从着陆器上起飞到月球轨道。这一飞行阶段难度很大,因为上升器起飞时喷射的火焰会碰到着陆器,从而可能产生干扰上升器的力。另外,月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,也无法像地球发射塔架那样配置火箭导流槽,所以要克服月面起飞轨道设计、月面起飞测控和发动机羽流导流等困难。

三是首次成功在月球轨道上进行了无人交会对接。上升器起飞后要在月球轨道与轨道返回组合体进行无人交会对接,并把样品转移到返回器中,这在世界上是第一次。在月球轨道交会对接要用有较多燃料的大质量轨道返回组合体追小质量上升器,而且距离地球几十万公里,所以对交会对接的精度要求更高。为此,我国研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构装在轨道器上,它具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。

值得一提的是,此前只有苏联在20世纪70年代进行过3次无人月球采样返回,总共带回了330克月球样品,这是由于当时苏联没有掌握月球轨道无人交会对接技术,所以采用从月面起飞直接返回地球的方案,因此其上升器需要克服返回舱与大量燃料死重,极大压缩了采样重量。这一次,嫦娥五号一次就带回1731克月球样品。

四是首次成功使携带月球样品的返回器以11公里/秒的速度再入地球大气层安全着陆在我国预定地点。此前虽然用嫦娥五号T1试验过1次,但这次是实战考验。为了保障返回器顺利着陆,我国采用了创新制定的半弹道跳跃式再入返回技术方案,实践证明这一方案是安全稳妥的。

嫦娥五号任务的圆满完成还有至少两大科学意义:

一是对着陆区进行了现场调查和分析。在嫦娥五号着陆器上不仅有钻取和表取两类采样装置,还携带了3种科学探测仪器。它们在着陆点区域开展了形貌探测和地质背景勘察,获取了与月球样品相关的现场分析数据,建立了现场探测数据与实验室分析数据之间的联系。

二是科学家可在实验室对月球样品进行长期、系统的分析研究。嫦娥五号任务落月的着陆区,选择在月球上最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉附近。那里富集铀、钍、钾等放射性元素,存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识,填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。

综上所述,嫦娥五号任务的完成,有利于人类进一步了解月球的状态、物质含量、地质演化历史,深化对月壤、月壳和月球形成与演化的认识,也能为了解太阳活动等提供必要的信息。另外,它经历了一个全面、精细、深入的科学探测过程,突破了一系列关键技术,这对我国未来的载人登月和月球基地选址等都具有重要作用。

总之,通过实施“嫦娥工程”,使我国月球科学、比较行星学和空间天文学等基础研究领域取得了较大进展,显著提升了航天技术水平并促进众多相关技术发展,为中国进一步开展深空探测以及未来载人登月奠定了坚实基础,也大大增加了我国在全球的影响力和民族自豪感、凝聚力。

(作者系全国空间探测技术首席科学传播专家)

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