嫦娥-5:匠心独妙的“采样返回”
—专访探月工程副总设计师于登云
2015-07-11徐菁
本刊记者 徐菁
嫦娥-5:匠心独妙的“采样返回”
—专访探月工程副总设计师于登云
本刊记者 徐菁
2014年10月24日-11月1日,我国探月三期再入返回飞行试验器—嫦娥-5T(CE-5T)任务圆满完成,成功着陆在预定区域。嫦娥-5T任务对探月三期下一步实施有什么重要意义?嫦娥-5探测器到底如何“采样返回”?本刊记者专访了中国航天科技集团公司科技委副主任、探月工程副总设计师于登云。
记者:于总,您好,感谢您接受采访。请问探月工程三期在最初论证时是否规划了嫦娥-5T任务?
于登云:由于考虑探月工程经费规模,所以在探月工程三期立项之前的最初论证时只计划了嫦娥-5/6两次任务,其中嫦娥-6作为嫦娥-5的备份,并未列入嫦娥-5T高速再入返回飞行试验任务,只是把高速再入返回作为一项关键技术。但是在后来的立项评估时,以中国航天科技集团公司王礼恒院士为代表的几位大牌专家认为,高速返回任务是我国第一次实施,而且这项技术的成败直接关系到探月三期工程的成败,月球样品能否安全回收关系到全局,如果事先不进行在轨验证,势必会给探月工程三期顺利实施带来巨大风险。于是我们重新修改了立项报告,在探月工程三期嫦娥-5、6任务之前增加一项高速再入返回飞行试验。因为项目经费有限,我们参照嫦娥-1任务的情况,申报了这次试验任务的项目经费。
考虑到任何一项任务都会存在风险,在论证这一飞行试验任务时我们还探讨了是否要安排进行两次,所以最初我们称这次任务为嫦娥-5T1。这次高速再入返回飞行试验完成得很成功,达到了预期目的,获得了很多珍贵数据,该考核的地方都考核了。因此,虽然试验数据还在深入分析之中,但估计不会再实施第二次飞行试验任务。
记者:这次嫦娥-5T任务的圆满完成对探月工程三期下一阶段实施有什么重要意义?
于登云:这次试验任务意义重大,为探月工程三期的顺利实施起到了先导作用,具有承上启下的意义。所谓“承上”是指嫦娥-5T充分继承了探月一期和二期的成果,尤其是嫦娥-2的成果,因为嫦娥-5T的服务舱继承了嫦娥-2的平台,并做了一些适应性修改;所谓“启下”是指通过这次任务把嫦娥-5的某些实际飞行轨道,以及高速返回再入的整个过程进行了验证,从而有利于提高嫦娥-5任务的可靠性和安全性,降低了任务风险。
这次嫦娥-5T飞行试验任务非常成功,很好地验证了返回器高速再入返回技术,这其中包括防热技术、气动力技术,以及减速跳跃时所需的精确控制技术。同时,还验证了轨道技术、回收着陆技术以及其他搭载的新技术等。
记者:我国的返回式卫星、载人飞船已多次成功完成返回再入,为什么嫦娥-5不直接照搬载人飞船和返回式卫星的返回模式呢?
于登云:探月工程三期任务之所以采用这种高速跳跃式返回,是其自身任务的需要。月球采样返回的过程与返回式卫星和载人飞船任务是完全不一样的。
嫦娥-5从月球轨道返回到达距离地球5000多千米时轨道器与返回器分离,这时的飞行速度大约10.6km/s,接近第二宇宙速度;而载人飞船及返回式卫星运行在低地球轨道,返回时的速度最大不超过8km/s,只是第一宇宙速度。由于两者在返回速度上差别很大,因此嫦娥-5不可能采用载人飞船或返回式卫星的再入返回模式。
正因为嫦娥-5任务返回速度大,在气动力、气动热、结构及控制等方面带来了新的要求和挑战,所以必须采取新的返回措施,也就是要使返回器在再入大气层时尽可能将速度降下来。进入大气层时采用跳跃式返回可以起到比较理想的减速作用,使结构和防热系统的压力得到缓解,同时也使航程和落点达到理想的结果。
记者:除了高速返回技术之外,为了保证嫦娥-5任务的实施,其他一些关键技术如何验证?
于登云:与嫦娥-1、2、3相比,嫦娥-5最大的不同就是无人采样和返回,很多技术都是全新的,以前没有实现过。通过嫦娥-5T,我们验证了风险最大的高速再入返回的有关技术,但是其他一些关键技术无法通过这次试验进行在轨验证,只能通过地面的分析、仿真和试验验证,尽可能地模拟太空环境和使用情况。这是因为工程研制的经费和进度有限,不可能、当然也没必要将所有新技术都通过在轨飞行来验证。比如,嫦娥-3任务实施前我们无法对落月技术进行在轨验证,而是通过在地面模拟月球环境,进行分析、试验和仿真,以确保验证尽可能充分。而且,嫦娥-3任务的成功完成也表明,在地面进行模拟、试验、仿真的方法是很有效的,所以我们也相信,对于嫦娥-5其他一些关键技术在地面进行试验同样会达到预期的效果。
同时,嫦娥-5T的服务舱在把返回舱送到预定的返回轨道之后,又升轨到达拉格朗日L2点进行拓展试验,它在完成拓展试验后,可能还会回到月球轨道进行其他一些技术验证试验,包括未来在月球轨道交会对接时的快速测定轨技术、控制技术等,通过这些试验也可以验证嫦娥-5所需的一些关键技术,使这次高速再入返回效益最大化。
记者:嫦娥-5T采用了不同于嫦娥-1、2、3的飞行轨道,请您介绍一下。
于登云:嫦娥-5T从10月24日发射到11月1日返回,飞行试验任务总共用了8天多一点时间。从整个任务的飞行轨道来说,采用的是绕月自由返回轨道,这是以往探测器没有飞行过的轨道。从任务轨道的各个阶段来看,经过了发射段、地月转移段、月球近旁转向段、月地转移段、返回再入段和回收着陆段。其中,发射段和地月转移段是以往探测器经历过的,之后的4个飞行阶段则是我国探测器第一次执行。在嫦娥-5T进入月球引力圈时开始转向,绕月球飞行,经过30多个小时后进入月地转移轨道,然后到达距地约5000km处,嫦娥-5T服务舱与返回器分离,返回器高速再入返回,着陆到地面预定区域。
实际上,由于嫦娥-5T的主要任务是验证高速返回,只要能使飞行试验器到达距地5000km的再入返回点就行,因此也可以采用其他飞行轨道。嫦娥-5T之所以采用从月球背面绕过再返回的轨道,也是为了更多地验证一些新的关键技术,获得更多的实际飞行试验数据。
记者:嫦娥-5T任务发射时还搭载了一颗国外小卫星,这是一颗什么样的卫星?
于登云:由于发射嫦娥-5T的长征-3C火箭还有剩余的运载能力,于是我国开展了国际合作,搭载了一颗国外小卫星。这是一颗卢森堡空间公司研制的一颗小卫星,名叫4M(Manfred Memorial Moon Mission),意思是“纪念Manfred的绕月任务”,Manfred是卢森堡空间公司的母公司德国OHB公司的创始人,一生致力于倡导、推动深空探测活动。发射这颗小卫星的意义在于纪念Manfred及所有为航天做出贡献的人。
长征-3C火箭与嫦娥-5T分离后,火箭第三级带着小卫星绕月球一圈,然后在距离地面1×104km的高度将小卫星抛出,4M卫星在1×104km高度的地球轨道飞行,它的主要任务是验证电池是否能在太空恶劣环境下长寿命工作。
记者:与美国和苏联的月球采样任务相比,我国嫦娥-5采样返回任务的特点是什么?
于登云:从1976年以后,国外没有探测器在月面进行探测,因此我国的嫦娥-3、5探测器是1976年之后国际上首次在月表考察,嫦娥-3在月面软着陆和自动巡视是这样,嫦娥-5将完成的自动采样返回也是这样。无论是美国的有人月面采样返回,还是苏联的无人月面采样返回,都是在1976年之前发生的事,那时的航天技术与现在的航天技术不可同日而语。
嫦娥-5的采样方案也是与国外完全不同的。苏联的无人采样任务中没有采用交会对接,探测器直接在月球着陆,采样后直接返回地球。美国的载人采样任务是由航天员落到月面进行采样,然后回到月球轨道进行交会对接,这样做是为了最大限度的利用运载能力,并减轻落月压力。嫦娥-5虽然也是无人采样返回,但由于受到我国运载能力等各方面的限制,我们不可能采取俄罗斯的那种采样方式,直接落月,然后直接返回;而是让着陆器和上升器及采样机构落到月球表面,上升器在接收到采样机构采集到的样品后,与着陆器分离并自主起飞,重新回到月球轨道,与轨道器和返回器组合体对接,然后将样品转移到返回器中,最终轨道器携带返回器进入月地转移轨道,返回器回到地球。当然,我们这么做,还有另外一个目的,就是想尽可能为未来载人登月做些技术储备。
另外,嫦娥-5的采样机构将用两种方式进行采样,一种是采集月球表面土壤样品,一种是钻取月球表面以下土壤样品。嫦娥-5采集的样品预计是千克级,苏联采集到的样品只有300多克,美国采集到的样品是300多千克。
因此,可以说我国的无人自动采样返回方案是在汲取美国有人采样和苏联无人采样的经验教训的基础上,结合我国实际情况走出的一条新路,这是一个创新,当然难度也更大。
记者:请您给我们详细介绍一下嫦娥-5探测器。
于登云:简单地说,嫦娥-5探测器由“四器两机构加一个总体”构成,是全新的航天器。所谓“四器”分别是轨道器、着陆器、上升器和返回器,所谓“两机构”是指交会对接机构和自动采样机构。
轨道器几乎参与采样返回任务的全过程,其作用是在整个任务过程中做好动力、服务和保障工作。嫦娥-5在器箭分离以后进入地月转移轨道,轨道器负责把探测器的其他部分送到月球轨道;在采样阶段,轨道器带着返回器在月球轨道停泊等待;在上升器把样品带回月球轨道之后,轨道器负责与上升器对接;当样品转移到返回器之后,轨道器还负责把返回器送回月地转移轨道。在到达距地球约5000km并与返回器分离后,轨道器的任务就完成了。
嫦娥-5T任务采用跳跃式返回(董佼/制)
接着说说着陆器。在器箭分离之后一直到准备落月之前,它与轨道器是一体的;在到达月球轨道后,着陆器带着上升器及采样机构同轨道器与返回器组合体分离,并确保在月球相对平坦的表面安全着陆;同时,还要保证采样机构能够采集到样品,并确保样品转移到上升器中;着陆器还有最后一个任务,就是为上升器提供一个安全起飞的环境,一旦上升器以着陆器作为起飞平台安全起飞后,着陆器就完成了它的使命。
上升器的主要作用是在落月以后负责把采样机构采集的样品封存起来,并将样品送到月球轨道;上升器完成与返回器和轨道器组合体的对接后,还要把样品转移到返回器中,最终上升器与轨道器-返回器组合体分离。
返回器的任务是在轨道器的辅助下,将样品从月球轨道带回地球,特别是在距地约5000km时与轨道器分离后,返回器必须完全依靠自己安全返回地球。
记者:嫦娥-5任务中的交会对接和“神舟”飞船与天宫-1的交会对接是一样的吗?
于登云:这两种对接当然是不一样的。载人飞船的交会对接是在近地轨道上进行的,地面人员能够进行全过程监控;而嫦娥-5在月球轨道的交会对接过程中,有一小段时间是地面无法进行监控的,嫦娥-5必须采用自主的方式进行交会对接。另一方面,两者的交会对接机构也不同,载人飞船和天宫-1都是大型航天器,采用异体同构周边式交会对接机构进行;而嫦娥-5任务中,航天器质量相对较小,嫦娥-5探测器包括推进剂在内质量只有8t左右,上升器质量不到2t,轨道器-返回器组合体到月球轨道后不到4t;而且对接机构与前者也不同。总的来说,嫦娥-5的交会对接技术虽然可以借鉴载人交会对接,但是还是有很大的区别。
记者:您认为,探月三期工程完成后我国还会有后续的探测计划吗?
于登云:我相信,国家肯定还会有后续探测计划。因为我们对月球的认识不能仅仅停留在“绕、落、回”,这只是目前无人探测的“三步”,我们真正要实现认识月球,开发月球资源,并利用月球资源造福人类,这“三步”还远远不够,我们还应该要有新的“三步”或者“四步”,应该有载人月球探测,甚至在月球上建立基地。
另一方面,深空探测不仅局限于月球探测,人类探测的目标和任务还有很多,比如火星、金星、小行星等,通过这些探测,不仅可以推动航天技术进步,而且可以回答人类一直在探究的问题:人类从何而来?未来人类将到哪里去?等等。
目前,我国正在进行深空探测规划的论证。尽管在当前的历史时期,应用卫星和卫星应用仍然是国家发展的重点,但是深空探测是我们认识和了解宇宙的重要方式,要想从航天大国迈向航天强国,我们也必须进行深空探测。
A Novel Sample Return Mission: An Interview About Chang’e 5 with Yu Dengyun,Deputy Chief Designer of China’s Lunar Exploration Project