探月难,去难回更难
2019-12-02
如果说,拜访月球已经足够困难,让今年所有“参赛选手”都折戟的话,那么,从月球带着“礼物”返回,更是难上加难。
第一个难题是:从月球返回,需要更大、更重的探测器,因为返程所需的动力和燃料都得着陆器自己事先携带。因此,我们需要更大的火箭。嫦娥五号的运载工具就是大家所熟悉的“胖五”——长征五号火箭,这是目前我国推力最大的火箭。
其次,嫦娥五号需要在月球轨道上进行多个舱段多次复杂的交会对接。为了减轻自身的重量,嫦娥五号选择了阿波罗飞船曾经采用过的方式,即在月球轨道分离和对接,只让探测器的一部分着陆。之前的神舟飞船、嫦娥四号探测器只有两个部分需要分离或对接。而對于嫦娥五号而言,则由轨道器、着陆器、上升器、返回器组成了多个舱段多次复杂的分离和对接方式。面对如此复杂的交会对接,地面的工作人员无法实时操控,全部需要自动进行。因为从地球到月球,一来一回的传输时间就需2.6秒,如果让探测器干等地面操控的话,两三秒内它很可能已经失控甚至撞毁。
此外,从月球上返回,需要实现从月球表面起飞的关键技术。不同于地面的起飞,月球表面的起飞也无法实时控制,需要全自动进行。由于需要与月球轨道上的轨道器交会对接,月球表面起飞的距离也会很短。
最后,是返回地球大气层的难度加大。我们所熟悉的返回式卫星或神舟飞船,都是从低地球轨道返回,速度不超过第一宇宙速度7.9 km/s。而从月球返回地球,嫦娥五号返回的速度会接近第二宇宙速度11.2 km/s。在这种情况下,如果直接冲入大气层,返回舱很可能彻底烧毁。为了让返回舱顺利着陆,嫦娥五号采用了“打水漂”的方式,即第一次返回时被大气层弹回太空,再进行第二次返回。为了验证嫦娥五号的“打水漂”返回技术,2014年,嫦娥五号T1试验器发射、绕月并成功回收,这标志着我国已经掌握了高速返回的技术。
下一站,下下一站……
众所周知,人类已经在太阳系中发现了1颗恒星,8颗大行星,5颗矮行星, 4261颗彗星,796354颗小行星……而这些,只是目前已发现的数量,月球也只是我们探测深空的起点。嫦娥五号之后,我国航天的下一个目标天体是哪个呢?
尽管太阳系的天体数量庞大,但在选择目标时,排除法仍然有效。人类会细心地保护一些天体,或者细心地保护自己的探测器。比如,对土卫二的探测就十分谨慎,通常采用掠过的方式,避免着陆污染其蕴含的液态海洋。再比如,对金星的探测就更加小心,通常都采用不去的方式,避免着陆后高温高压、含有硫酸的大气对探测器的摧残。
如果说,不去的天体首选金星,那么要去的首选,一定是火星!
以火星为代表的深空探测,是国际空间探测科学发展的前沿和热点,这也是我国航天在深空领域的重点任务。火星探测有一个特殊的周期性,即火星和地球之间距离的周期性。每26个月,会有一个火星探测窗口,2020年和2022年分别有一个这样的窗口。
根据计划,在窗口期内,第一个火星探测任务由“胖五”执行,长征五号将会把探测器直接送入地球—火星转移轨道。积累了火星探测的经验后,火星的“礼物”(采样返回)成了下一个重点。迄今为止,还没有任何航天器实现了这一宏伟的目标。让我们拭目以待,中国航天在这一领域的突破。
紧随火星探测计划的是小天体探测。根据官方消息,首次小天体的探测计划可谓一鸣惊人。这个大目标把小行星探测、小天体采样返回、彗星探测整合在一次任务中,几乎最大限度地发挥了一艘探测器的作用。
而在太阳系的边缘,有孕育冥王星的柯伊伯带,以及孕育哈雷彗星的离散盘,更远的深空也等待着中国航天探测器的抵达。