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嫦娥五号“打水漂”回家背后有四大亮点

2021-07-12新闻admin
原标题:嫦娥五号“打水漂”回家背后有四大亮点 编者按:记者从国家航天局获悉,北京时间12月17日,探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着我国首次

原标题:嫦娥五号“打水漂”回家背后有四大亮点
编者按:记者从国家航天局获悉,北京时间12月17日,探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。从返回舱进行“太空打水漂”到降落在预定区域,再到月球“土特产”出舱之后的处理,都具有很高的技术含量。
亮点一:如何“在太空打水漂”
17日凌晨1时33分,嫦娥五号返回器在距地面高度约120公里处,以接近第二宇宙速度(约为11.2公里/秒)高速进入地球大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器向上跃出大气层,到达最高点后开始滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。在降至距地面约10公里高度时,返回器打开降落伞完成最后减速并保持姿态稳定,随后在预定区域平稳着陆。
据介绍,中国这个“太空水漂”,术语叫“半弹道跳跃式返回”,即在返回器第一次进入大气层一定“深度”并滑行一定距离后,调整返回器姿态,使其再次升高,随着返回器的升高,其速度会进一步降低,然后以类似神舟飞船的返回过程返回地球,后面的过程就轻车熟路了。
中国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、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍,采用半弹道式就是以初始的再入速度、姿态、再入角等作为再入的初始条件,通过升力控制实现对飞行轨迹的航向控制和俯仰控制,这样就可以更准确地落在预定着落地点。所以半弹道跳跃式再入解决了落点精度问题和再入过程的力与热的影响问题。
记者从中国航天科技集团五院获悉,以接近第二宇宙速度跳跃式再入返回,与返回卫星、神舟飞船等采用的第一宇宙速度近地返回相比,气动问题更加复杂,再入热环境条件更为严酷,对气动数据的精准度要求更为苛刻。探测器返回途中的另一个拦路虎就是温度。见过神舟飞船返回舱的人一定对那身乌黑的外表印象深刻。之所以全身乌黑是返回舱从近地轨道返回地球时,被大气层剧烈摩擦产生的高温烧灼而成。“再入的速度提高一倍,再入热量将提高8-9倍”。航天科技集团五院嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝介绍说。如此高的温度,一旦进入返回器内部后果将不堪设想。
防热结构设计团队为探测器设计了一件“贴心防热衣”。针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,提出不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标,从33种新研材料中筛选出7种防热材料,完成了防热材料的布局和局部防热结构设计,实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。
亮点二: 海陆空天保障搜索回收
时值隆冬季节,严寒积雪条件下夜间搜索,返回器目标体积小以及特殊的返回方式给搜索回收工作带来很多困难。本次搜索回收任务采取了海陆空天多个维度的全方位保障。
据了解,和载人飞船相比,嫦娥五号返回器的体积只有飞船返回舱的约1/7,可着陆面积却是载人飞船的16倍,在冰天雪地的夜间寻找如此小的目标可谓难上加难。
酒泉卫星发射中心研究员、着陆场系统副总设计师卞韩城表示,嫦娥五号返回器采用半弹道跳跃式返回方式,这种返回方式控制的难度非常大,导致回收区的范围也特别大。为此,搜救人员从技术上采取了很多措施,比如将雷达的测量数据经过处理送到直升机和搜索车辆上,引导直升机和车辆搜索接近返回器,同时在直升机和搜索车辆上加装高功率的探照灯,协助搜索人员快速发现目标。
而为了实现对返回器的快速搜索回收,还有大量鲜为人知的高科技装备在进行全方位保障。记者从航天科工二院23所获悉,在嫦娥五号返回器返回过程中,该所研制的两部测量雷达承担了高精度测量任务,并为指控中心提供实时测量数据,为前方搜救提供有效的目标落点数据。其中距离落区较远的雷达主要用于黑障区至地面的跟踪测量,研制人员根据十多年神舟系列飞船返回任务保驾工作经验,着重针对黑障区内返回器对雷达存在隐身现象做了充分准备,实时上报测量数据并预报返回舱着陆点,为飞船平安着陆后第一时间搜救打下坚实基础;回收任务最末端的跟踪测量雷达从返回器开伞后开始对目标进行测量,为落点预报和返回器搜救提供了及时准确的数据信息。
记者从北京空间信息传输中心了解到,在着陆场搜索任务中,我国中继卫星天链二号01星建立起搜救空中分队通信直升机与北京航天飞行控制中心的信息传输链路,实现了图像、话音、调度等业务数据的实时传输,为搜索任务圆满成功奠定了坚实基础。
而在“五姑娘”归家的旅途中,中国卫星海上测控部所属的远望3号船在印度洋深处,护送嫦娥五号成功穿越“黑障”。据了解,远望3号船是此次任务唯一的海上测控力量。该船圆满完成返回器初次再入大气层“黑障”附近的遥测、外测、光学测量等任务。
亮点三: “钢铁侠”喜迎“嫦娥”
记者从航天科工二院206所获悉,该所研制的搬运外骨骼助力搜索回收分队成功完成返回器搜索回收任务。据介绍,搬运外骨骼参加嫦娥五号返回器搜索回收任务,开创了外骨骼产品首次参加航天任务的世界创举。
任务中,两名身穿外骨骼的搜救回收队员携带搜救设备从直升机降落点快速机动至返回器着陆点,并在返回器旁插上一面鲜艳的五星红旗。同时,搬运外骨骼还协助搜救回收大队在返回器周边快速搭建应急通信、照明及电力保障体系,确保搜救回收任务快速、安全、高效完成。部分人员携带的设备重达40公斤,需两人协作搬运完成,而在零下30摄氏度的雪夜荒原,低温严寒与极限负重对搜索人员的体力消耗带来挑战,此刻搬运外骨骼大显身手。
据介绍,本次参加嫦娥五号搜索回收任务的两套搬运外骨骼包含上肢助力模块和下肢助力模块。通过电动直驱助力模块及智能步态分析算法,配合人体上下肢关节发力,降低人体能耗,为穿戴者提供上肢臂力、腰肌及臀大肌助力,帮助穿戴者承担更大载荷,有效降低了手臂、腰臀等部位的疲劳感,适用于复杂地形下的重物握持及搬运。
研制单位向《环球时报》记者介绍,搬运外骨骼负载能力达50公斤,在负重搬运机动时可省力约60%,节约人体能耗约30%,动作识别准确率大于99.9%,可在零下40摄氏度至70摄氏度间正常工作,耐受湿度最大为98%,标配的可更换电池在综合工况下可持续工作约4小时,为在恶劣自然环境中执行嫦娥五号搜索回收任务提供极强的产品适应性和可靠性。此外,搬运外骨骼可智能感知穿戴者肢体行为,并自适应实时调节输出助力的大小、快慢,具有结构轻巧、穿脱方便、人机交互顺畅友好、穿戴者的复杂运动行为不受限等特点,而且模块化的设计构造,便于在应急状态下快速维护。
亮点四: 处置“土特产”是个技术活
据国家航天局介绍,回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后,将按计划空运至北京开舱,取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式,正式向地面应用系统移交月球样品,我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。
那嫦娥五号从月球“快递”回来的“土特产”要如何处理呢?裴照宇介绍,首先要解封,样品容器是在真空状态下进行封装的,进入地球后,要在地球环境下操作,不同于一般的罐子开封。解封之后要对样品进行分样,进行基本特性、物理化学特性测试。然后要进行样品登记,给每一份样品建立档案。从科学研究角度看,我们将制定一个样品管理办法,对样品如何管理,如何分配使用,会做出具体规定。样品是科学研究重要的基础物质,一方面我们会组织国内科学家对样品进行研究,同时管理办法中也提出积极开展样品研究的国际合作,我们也欢迎国外科学家来开展样品研究。
据专家介绍,样品管理办法中提到,要成立一个科学家委员会,向国际征集样品研究的方案、建议,通过科学家委员会对这些建议进行评估,分析哪些建议有科学价值,样品使用合理,样品的管理有序可靠。通过这种方式来决定提供哪些样品,从事哪些研究。我们没有提出国别限制,鼓励科学家进行样品的研究合作。(刘 扬)