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嫦五独家揭秘:只采样可以更简单,但为了验证未来……

2020-11-24 15:12
来源:澎湃新闻·澎湃号·媒体
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原创 索阿娣 郑恩红 中国航天报

2008年8月,航天测控通信专家吴伟仁接替年事已高的孙家栋,担任中国探月工程总设计师。上任伊始,他就面临着一个棘手的任务,要根据我国国情特点组织论证探月三期工程嫦娥五号、嫦娥六号的实施方案。

不到一年时间,2009年上半年,在探月三期工程论证组组长吴伟仁的带领下,来自航天工业部门、中国科学院、教育部高等院校和大型企业等机构的一大批专家积极参与到论证工作中。

“一般来说,像这种技术难度大、参与人员多、研制周期紧的重大科技工程,论证时间都会比较长。但是,我们仅用了一年多时间就完成了论证工作,效率很高。整个论证队伍将近百人,很多骨干成员都是从事探月工程的专家。”吴伟仁回忆,论证组重点论证明确了几个关键问题。

首要关键问题就是明确整个工程的指导思想。探月工程“绕落回”三步走的主要目标是要实现无人采样返回。虽然已经过去了10多年,但吴伟仁依然记得工程指导思想的清晰表述——“技术先进,经济可承受,体现当代水平,经得起历史检验”。

技术先进,意味着我们的方案不能落后;经费可承受,因为中国毕竟是个发展中国家,钱得花在刀刃上;体现当代水平,指的是在方案上不走美苏老路,要体现21世纪的水平;经得起历史检验,则意味着若干年以后回头看这个方案,它仍然是科学的。

论证焦点1:怎样实现采样返回

工程指导思想明确后,接下来,就是确定用什么样的方式来实现采样返回。论证组深入分析了国外的技术路线,反复探究一条富含中国特色的采样返回之路。

什么是中国特色?首先,采样返回方案一定要有独创性,不能沿用美苏方式。其次,我国首先要解决14亿人的吃饭问题,能够用到探月工程的钱是极其有限的,因此每一分钱都要见效果。再次,在搞月球无人采样返回的同时,一定要考虑下一步的发展,为未来的载人登月进行先期的技术验证。

基于此,论证组经过综合分析比较,提出了“四器”方案,即:探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成,历经发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降等阶段,待完成月面工作后,再经月面上升、月球轨道交会对接与样品转移、环月等待、月地转移和再入回收等飞行阶段,携月球样品在内蒙古四子王旗着陆场着陆。

“四器”构型的嫦娥五号

“实际上,如果只是为了完成采样返回任务,嫦娥五号的系统可以做得简单很多。但考虑到未来的载人登月需求,我们确定了目前的方案,目的在于进行更多的技术验证。”吴伟仁说。

嫦娥五号在进行试验

论证焦点2:采样量究竟定多少

大的思路明确了,随之而来的问题就是样品采集量究竟定在多少。

世界上完成月球采样返回的国家有两个,一个是苏联,一个是美国。苏联实施了3次成功的无人采样返回,以钻取的方式采回月球土壤样品300多克。美国通过6次成功的阿波罗载人飞行,让宇航员带回来300多公斤月球样品。

收藏在北京天文馆的0.5g月球岩石样本。美国政府在1978年赠送给中国1g月岩样本,由阿波罗17号飞船1972年从月球带回。

在论证过程中,专家们认为苏联的技术方案有着明显的局限性,单一的钻取方式能采到的月壤量有限,一旦遇到石头就钻不进去了。而且,返回器非常小,能够装回去的月壤也不会太多。为了体现当代水平,论证组当时提了一个目标,要求一次采样量要超过苏联采样量总和。于是,有人提出了五公斤,有人提出了一公斤。经过反复论证,论证组最后将采样量定在了两公斤。

同时,为了保证月壤的层理结构不被破坏,论证组提出钻取两米深度,且边钻边封装,以最大程度地保证样品的科研价值。同时,为了避免遇到石头钻不下去的情况,他们提出了一个既不同于苏联也不同于美国的方案:同时采用钻取和铲取相结合的采样方式,确保样品采集量达到2公斤。

论证焦点3:如何在第二宇宙速度下安全返回

返回器以第二宇宙速度返回地球,这个焦点问题也引发了热烈讨论。

“第一个难点是速度太快,返回器在大气层里要经受上千度高温的考验,怎样才能保证这个两公斤样品的安全。第二个难点是瞄准四子王旗着陆区的返回器,在降落过程中过载G值太大,远远超过探测器可承受量。

当时,有专家还提出了一种海上着陆的方案。但是,受制于我国海上搜救能力,且还要投入一大笔经费,大家决定还是利用四子王旗现成的场地和设施。

经过讨论,论证组提出了一种半弹道式返回的方式。返回器以第二宇宙速度进入大气层,大概在60~70公里高度的时候,受控重新跳跃到大气层外120公里高度位置,飞行一段时间,以第一宇宙速度再降落。这一过程就像在太空“打水漂”。

当然,要实现这个打水漂也不容易。有人担心,返回器在60~70公里处能不能跳起,这个得靠控制系统。如果控制系统能够有很好的方法,在技术上有把握,那就成功了。如果控制得不好,这种方案就不成立。后来,经过控制专家们的仔细论证,解决这一难题还是有充分把握。

嫦娥五号返回器在进行试验

但是,围绕“要不要搞一次再入返回飞行试验”这个话题,专家们的意见又不一致了。对于这项试验,有人不同意做,觉得周期长浪费时间,有人认为得做2~3次试验。吴伟仁认为没有必要做两三次试验,但是一次不做的话,嫦娥五号任务风险太大。

这个想法得到了孙家栋、栾恩杰等老领导的支持。大家都同意先做一次再入返回试验。2014年11月1日,探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功,验证了高速返回方案的正确性。

论证焦点4:要不要建我国的深空探测网

在论证过程中,“要不要建设我们国家的深空测控网”也是一个焦点问题。

美国在全世界建了三个大型深空站,第一个在美国本土,第二个在西班牙马德里,第三个在澳大利亚堪培拉。其中,两个位于北纬,一个位于南纬,每个站在经度上相隔120度。每个站都有一个口径70米天线,再加上4个34米天线,可谓布局合理、技术先进、规模庞大。欧空局也组建了自己的深空测控网。

那么,我们国家要不要建自己的深空网呢?论证组的意见并不统一。吴伟仁认为,通过探月三期工程把我国深空测控网建起来,这是一个基础性、战略性、前瞻性的工作。虽然它可能会产生一些花费,但对我国未来的深空探测影响深远。

最终,我国在最西边的新疆喀什、东北地区的黑龙江佳木斯、南美洲的阿根廷各建了一个深空站,组建形成了自己的深空测控网,且在嫦娥二号、嫦娥四号任务中得到了很好的应用。

我国深空测控站在执行“天问一号”测控任务

“探月工程属于国家16个重大科技专项之一,在2020年之前要全面完成。如果嫦娥五号任务圆满完成,我们就可以做到‘三不一超’,即:进度不拖、经费不超、指标不降,超额完成任务。这主要得益于国家国防科工局和航天工业部门的坚强有力领导,以及无数科研人员的汗水和付出。”吴伟仁对这次任务充满信心和期待。

文/中国航天报记者 索阿娣 郑恩红

图/航天科技集团五院、北京天文馆、中国军网

原标题:《嫦五独家揭秘:只采样可以更简单,但为了验证未来……》

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