嫦娥五号探测器

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嫦娥五号探测器,是由中国空间技术研究院(中国航天科技集团五院)研制的中国首个实施无人月面取样返回的航天器。其计划在探月工程三期中完成月面取样返回任务,是该工程中最关键的探测器,也是中国探月工程的收官之战。嫦娥五号探测器全重8.2吨,由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成,将由我国目前推力最大的长征五号运载火箭从中国文昌航天发射场进行发射。2019年1月14日,国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华表示,2019年年底前后将发射嫦娥五号。
中文名:
嫦娥五号探测器
外文名:
Chang‘e 5 lunar probe
所属:
中华人民共和国
研制单位:
中国空间技术研究院
目前状态:
研制中
起飞质量:
8200千克
发射火箭:
长征五号
发射时间:
待定
发射地点:
中国文昌航天发射场
组成:
轨道器、返回器、着陆器、上升器
性质:
探月工程的收官之战

目录

研制历史

  2009年,中国在探月二期工程实施的同时,为衔接探月工程一、二期,兼顾中国未来载人登月和深空探测发展,中国正式启动了探月三期工程的方案论证和预先研究。三期工程于2011年立项,任务目标是实现月面无人采样返回。工程规划了2 次正式任务和1 次飞行试验任务。分别命名为嫦娥五号、嫦娥六号和高速再入返回飞行试验任务。其中,嫦娥五号探测器是我国首个实施月面取样返回的航天器。 

  中国探月工程分“绕、落、回”三步走,绕月和落月任务已圆满完成。根据探月三期时间表,预计于2017年12月发射嫦娥五号,实现月球取样并返回地球。嫦娥五号由轨道器、上升器、着陆器和返回器组成。

嫦娥五号探测器嫦娥五号探测器

  2014年10月24日2时,嫦娥五号T1试验器成功发射。用于验证飞行器能否从月球轨道顺利返回,并降落在预定的位置。这是2017年实现探月无人采样返回的最重要的试验。

  2014年嫦娥五号T1试验器的任务,就是将轨道器和返回器的组合体送入月球轨道,再让组合体返回地球。叶培建介绍,组合体在距离地球几千公里的太空中会分离,返回器会按照嫦娥五号将要走的路,回到地球,而轨道器就“不要了”,变为太空垃圾。将组合体送入太空的工作在西昌完成。

  2014年发射的试验器,是2017年以前探月工程最后一个太空试验,因为这项试验风险太大,且没法在地面进行模拟。而其余例如在月球表面取样,在月面上起飞等,都通过在地面上做模拟试验的方法来验证可靠性。

  这是中国探月工程拿到的第一张“返程票”,标志着中国探月告别“单程票”时代,为未来嫦娥五号执行更为复杂的返回任务奠定了技术基础。

  2015年3月,叶培建院士表示嫦娥五号正在进行研制,进展良好,将按计划于2017年在海南发射。 

  2015年9月,中华人民共和国国家国防科技工业局宣布,探月工程三期再入返回飞行器服务舱为嫦娥五号任务开展在轨验证,9月2日完成对嫦娥五号预定采样区遥感成像飞行任务。

  2015年11月23日,嫦娥五号、长征五号在海南合练。

  2016年8月15日,中国航天科技集团公司六院801所组织完成了嫦娥五号上升器正样全系统热试车。

  2016年12月,嫦娥五号探测器着陆器推进子系统正样热试车取得圆满成功,这标志着嫦娥五号着陆器推进子系统热试车完美收官。这也是嫦娥五号研制进程中非常关键的一步。

  在2017年6月6日开幕的2017全球航天探索大会上,中国国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠首次透露了嫦娥五号月球探测器的着陆地点为月球正面的吕姆克山脉。同时开展相应的科学研究。吕姆克山脉位于月球正面西北部。

  2019年1月14日,国务院新闻办公室召开的新闻发布会上,国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华表示,中国将继续实施月球探测工程,突破探测器地外天体自动采样返回技术,2019年年底前后将发射嫦娥五号,实现区域软着陆及采样返回,探月工程将实现“绕、落、回”三步走目标。 

布局结构

  嫦娥五号主要任务是月球取样返回,它要面对取样、上升、对接和高速再入等四个主要技术难题。根据日前的设计方案,嫦娥五号由轨道器、返回器、着陆器等多个部分组成,其中着陆器将进行月面软着陆,并自动进行月面采样、样品封装等操作,将样品由着陆器的上升段携带升空进入月球轨道,与环月轨道上的轨道器对接,将样品转移到返回器内部,最后轨道器携带返回器点火机动,从环月轨道直接返回地球,返回器将在再入大气层前分离,最后降落在我国北方的内蒙古草原上。

  从这个轨道器、着陆器以及环月轨道对接的复杂设计方案看,嫦娥五号完全就是无人版的阿波罗登月,当前同样计划使用类似设计的深空探测器方案,是美国尚未立项的火星取样返回探测器(MSR),不过MSR最早也要2024以后发射,而我国的嫦娥五号预计2018年左右就要使用长征五号火箭发射,嫦娥五号取样返回的复杂性和先进性在已有和正在研制中的深空探测器里是空前的。当前嫦娥五号探测器着陆器的变推力发动机、交会对接微波雷达和激光雷达的研制都在紧密锣鼓的进行中,着陆器上升段和轨道器所使用的3000牛发动机首次整机试车圆满成功,已经转入初样研制阶段。嫦娥五号可以携带约2千克样本返回地球,这是使用复杂的月球轨道对接设计的结果,之前的苏联Luna 16探测器整体落月,最终取回样品仅有100克。

  按照我国航天的惯例,嫦娥五号肯定还有一个备份星,如果嫦娥五号任务顺利的话,它很可能赋予嫦娥六号的编号,增减部分设备提高技术水平,根据探月一期和二期的月球探测成果,选取探测价值更大区域如月球极区或是在月球背面取样返回。不过嫦娥六号还太过遥远,很难对此做出有效的预测。

嫦娥五号探测器嫦娥五号探测器

  嫦娥五号返回舱已经在研制之中,从奔月轨道上返回的航天器有着很大的速度,如果无法减速,那么就会“弹”出地球大气层,再入之后的返回舱速度将达到每小时4万公里左右,相当于32马赫左右,迄今为止中国设计的飞船没有达到如此高的再入速度,因此如何安全控制返回舱重返大气层是嫦娥5号能否成功的关键。

技术难点

  据探月工程总设计师吴伟仁说,嫦娥五号大约2017年前后择机发射,任务是采样返回。其中的困难主要有四个方面:月球轨道的交会对接、月面采样、月面起飞和高速返回。

  月面采样有难度。苏联当年做了好几次只成功了三次,共取回300多克月壤。嫦娥五号计划采样2公斤,要钻进去2米获取原原本本的月壤,还必须封装好拿回来。此外,嫦娥五号有着陆器、返回器,要在月球轨道交会对接,难度比较大。再者,采样结束后月面起飞和高速返回也是需要攻克的难关。

  第一关是“分离面多”。相较于神舟飞船和“嫦娥三号”均只有两个部分需要分离,即两个分离面,“嫦娥五号”有5个分离面,分别是轨道器和着陆器组合体、着陆器和上升器组合体、轨道器和返回器组合体、轨道器和支撑舱及轨道器与对接支架。这些分离面都必须“一次性成功”。

  第二关是“模式复杂”。彭涛说,探测器需要经历多个飞行阶段,还需要完成月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接和样品转移、地球大气高速再入返回着陆等关键环节,并且设计约束多。

  其中,上升器与轨道器需要在距离地球38万千米的月球轨道上完成对接,在这里无法借助卫星导航的帮助,需要依靠探测器自身实现交会对接。

  第三关是“细节严酷”。为获取月壤样品,“嫦娥五号”无人采样器将通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法,再把样品转移到上升器,由上升器与轨道器对接,最终把样品转移到返回器,整个环节必须分毫不差。

  第四关是“温度控制”。月球表面白天温度约零上180摄氏度,夜间零下150摄氏度,昼夜温差约330摄氏度。另外上升器发动机点火瞬间达到上千摄氏度,如何避免烧毁上升器和着陆器,对研制团队提出挑战。

  第五关是“瘦身压力”。彭涛说,运载火箭的运载能力对嫦娥五号探测器的重量有严格的约束,一方面要尽可能对分系统进行“瘦身”,另一方面,因为备份产品较少,必须确保质量可靠。

预期成果

  嫦娥五号将完成我国探月工程三步走中“回”的任务。嫦娥五号将突破一系列关键技术,并携带月球岩石样本回到地球,预计任务飞行时间在13天左右。 

  通过嫦娥五号的研制和实施,中国将突破月表自动采样、样品的封装与保存、月面动力上升、采样返回轨道设计、地球大气高速再入、月球轨道交会对接、多目标高精度测控通信、月球样品储存和地面实验室分析等关键技术,提升航天技术水平;具备月球无人采样返回的能力,首次实现中国月面自动采样返回,实现航天技术的重大跨越;完善中国的月球探测航天工程体系,形成重大项目实施的科学的工程管理方法,为后续载人登月和深空探测工程服务。通过实施嫦娥五号无人月球采样返回任务,中国在月球科学研究方面将更进一步,开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与返回样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行实验室研究,分析着陆点月表物质的结构、成分、物理特性,深化月球成因和演化历史的研究。

  嫦娥五号月面采样返回任务将于2019年年底左右实施,我国首次火星探测任务将于2020年前后实施。

研制进展

  探月工程副总指挥、国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠近日接受采访时表示,我国探月工程三期嫦娥五号任务正处于初样研制关键阶段。

  刘继忠表示,今年将完成嫦娥五号探测器和长征五号火箭在海南发射场的合练,预计于2 017年前后完成研制并择机发射。为确保妇俄五号奔月、月球采样、返回地球任务的顺利完成,我国于2014年10月24日发射了由返回器和服务舱两部分组成的嫦娥五号“探路者”——探月三期再入返回飞行器。2014年11月1日,服务舱与返回器分离,随后返回器顺利着陆,试验任务取得圆满成功。服务舱拉升轨道,继续开展拓展试验,先后完成了远地点54万公里近地点600公里大椭圆轨道拓展试验和环绕地月L2点探测、返回月球、嫦娥五号调相机动模拟试验等任务。

  目前服务舱正继续为嫦娥五号任务开展在轨验证,7日刚刚完成第三阶段拓展试验——模拟嫦娥五号上升器与轨道器在月球轨道交会对接之前的飞行控制过程。实验验证了嫦娥五号上升器远程导引控制策略、天地协同控制时序、轨道测量与飞行控制精度等相关技术,获取试验数据和经验,评估轨道设计和交会方案,为后续嫦娥五号任务顺利实施提供参考。

  刘继忠表示,服务舱的工作完成得非常好,实现了一次发射、三次奔月、两次借助月球引力飞行,完成了三个阶段的拓展试验。在第二和第三阶段试验中,服务舱分别扮演了嫦娥五号任务的轨道器和上升器两个角色,先后模拟了这两个飞行目标在月球轨道交会对接之前的相对运动过程和飞行控制过程。

  “通过再入返回试验和服务舱的拓展试验,我们验证了嫦娥五号任务的高速再入返回、月球轨道上升和月球轨道交会对接三项关键技术,为完成探月工程‘绕、落、回三步走战略目标打下了坚实基础。”刘继忠说。

  对于服务舱后续工作,刘继忠说,目前服务舱状态良好,接下来还将进行嫦娥五号釆样区成像等第四阶段试验。之后,工程方面将根据服务舱状态,择机开展月球重力场反演等科学试验项目。我国预计2017年前后发射嫦娥五号,它由轨道器、着陆器、上升器和返回器"四器”组成。


参考资料
  • 1.    褚宏彬:今年中国航天将打响两场“收官之战”-中国台湾网  .中国台湾网[引用日期]
  • 2.    定了!嫦娥五号将于2019年年底前后发射-网易  .网易[引用日期]
  • 3.    嫦娥五号将于2017年发射:实现月球取样返回-新浪  .新浪[引用日期]
  • 4.    探月飞行试验载音乐芯片上太空 含彭丽媛歌曲-腾讯  .腾讯[引用日期]
  • 5.    中国完成嫦娥五号预定采样区成像(图)-凤凰网  .凤凰网[引用日期]