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月球“土特产”送达!嫦五“挖土”之旅为何“最复杂”

发布日期:2020-12-24  查看次数:575 来源:网络  作者:不详

 
 
    核心提示:中国网:北京时间12月17日1时59分,携带月球物质的嫦娥五号返回器成功着陆,圆满结束了我国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥五号探测器是我国实施的首个无人月面取样返回的航天器,此次任务成功采集月球物质,
 

中国网:北京时间12月17日1时59分,携带月球物质的嫦娥五号返回器成功着陆,圆满结束了我国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥五号探测器是我国实施的首个无人月面取样返回的航天器,此次任务成功采集月球物质,使我国成为世界上第三个成功采集月球样本的国家。作为我国探月工程“绕”“落”“回”三步走的收官之战,嫦娥五号任务为何称之为我国航天史上最复杂任务之一?技术亮点是什么?带回的月球物质有哪些重要价值?本期节目,特别邀请嫦娥五号探测器系统副总指挥、中国航天科技集团八院张玉花分享背后的故事。

嫦娥五号探测器系统副总指挥张玉花接受中国网专访。    中国网  杨佳  摄影


    中国网:张总,您好!欢迎您做客我们的节目,请您先和我们的网友打声招呼。

    张玉花:中国网的网友们,大家好!

    中国网:历时23天,嫦娥五号探测器终于完成了既定任务并且成功着陆。作为副总指挥,您如何评价嫦娥五号此次“挖土”之旅的表现?

    张玉花:我作为一个参与者,我对我们这次任务的评价是相当完美。它的每一步都很好,跟我们设计的一样,是一次完美的“挖土”之旅。

    中国网:嫦娥五号探测器是我国实施的首个无人月面取样返回的航天器,因此,这次任务也被称为我国航天史上最复杂的任务之一。我们想知道,任务的复杂性体现在哪些方面?

    张玉花:我们一直评价自己的嫦娥五号应该来说是目前中国航天最复杂、技术难度最高的大的工程项目。我们都不想说“之一”。为什么?它确实很难,因为它是要从地面起飞,然后要到月球,有一个“四器”的组合体状态。到了月球要实现月球的捕获、环绕月球,然后实现回返组合体,就下面的两个和上面的着上组合体的分离,分离了以后,着上组合体还要实现像嫦娥三号、嫦娥四号那样落到月球上,这也是一大步。

然后在月面,我们又要实现月表的取样,这里面包括“钻取”和“表取”。取样的过程当中还有一个样品的封装和装入容器,最后全部成功之后,我们还要从月面起飞。月面起飞进入月球轨道的时候,这时原来的组合体在这个过程当中它已经抛离了支撑舱,做好一个等待的状态,要实现我们中国第一次的月球轨道交会对接。交会对接以后我们还要实现一个样品的转移过程,顺利地把样品从上升器经过对接舱,(转移)到返回器的肚子里,然后返回器还要关上密封的舱门,最后再把这个对接舱和上升器的这个组合体给它抛掉,然后我们还要掉头回来。

这里面我们把它分成11个阶段,地月返回以后还要以第二宇宙速度跳跃式再度返回,最后才能成功落在我们的预定落区。所以,这是一个迄今没有的,而且作为自动无人采样。我觉得是最难的、最复杂的。

第一步很重要的就是要成功地发射。这个也是第一个担心的点。发射成功以后,探测器要进行帆板打开、天线打开。我们还有两对帆板,下面的轨道器有一对帆板,上面的着陆器有一对帆板,互相以90度的方式交叉,避免遮挡。它们都展开了以后,这时候我们靶场发射的司令员上台去宣布这次发射任务成功了,这是一个关键环节。

第二个关键环节就是我们要快到月球的时候,经过112小时快到月球的时候,这时候要实现“刹车”,这个“刹车”也很重要。假如是刹多了和刹少了,刹少了可能就飞过去了,刹多了可能到不了我们预定的地方,所以近月制动很重要。

后面就是两器分离也很重要,万一有分离不开的,就失败了。还有样品的取样,无论是表取、钻取,这里边有很多复杂的步骤。取样和封装也是重要的环节,也是中国第一次。

然后就是月面起飞,我们经常说相当于是月球表面的发射,这个也是第一次,对我们中国来说,因为它不可能有像我们的运载火箭在靶场发射有一堆的瞄准设备和支持设备,这个发射成功以后才迎来了咱们说“空中之吻”或者“月球轨道之吻”的交会对接。

然后再下一步就是要抱爪和样品转移。这一步也非常重要,因为相当于要一下子把它抱在自己怀里,然后再形成封闭空间,让它在空间里不会再跑回去。后面我们就说月地入射也很重要,因为相当于我们要离开月球的引力,我们一直叫嫦娥的“回家”之旅,这一步是真正的回家之旅,这个就是有两次点火,能够真正地形成奔向地球的轨道,这个挺重要的。

奔到地球,经过88小时以后,接着迎来的就是到达了差不多500公里高度的轨道器,要把返回器从“肚子”里给它抛出来,让它以正确的姿态走向回地球的这个弹道,这个也很重要。分离不成功或者有偏差,那回的地方就不是我们预定的地方。最后我们返回器的开伞和着陆,能够精确地在10公里开伞,稳稳地落在这个点。

所以,在我的心目中每一步都重要,是一个一个环环相扣的串联环节。

嫦娥五号探测器系统副总指挥张玉花讲述嫦娥五号研发背后的故事。  中国网 杨佳 摄影


中国网:您给我们讲的这个过程是环环相扣,但是我们听起来就是步步惊心。之前,美国“阿波罗计划”靠人力累计从月球运回了380多公斤样品,苏联依靠无人飞行器分3次共获得了300余克样品。“嫦娥五号”带回来的月球物质的重量设置是处于什么考虑?

张玉花:中国这一次实际上我们从原理上也是跟前苏联一样,是一次无人的自动采样返回,但是我们当时把它定多少呢?有(提议)过说500克?5公斤?后来根据我们当时的运载火箭的发射能力,可能的探测器的规模,大概是8.2吨。我们还有当时的一个方案上的抉择。为什么?像前苏联,大家都知道它没有说有月球轨道交会对接。但是我们当时有一个目标,就是要为将来的载人探月实验一些技术。所以,我们采用了在月球轨道交会对接、样品传递这样的一个方式,这样的话就导致我们需要一个四个器的结构。

我们当时经过论证,确定2公斤当时是作为我们的一个指标。这个指标代表我们可实现的能力,又代表我们希望这么多样品可能能够满足我们科学家的要求,而且咱们这个数量远超前苏联三次的取样的总和。现在看来我们当时定的这个指标还是非常得合理和科学的。

中国网:这2 千克的指标其实也是在网络上引发了高度的关注。今天的节目现场,我们也带来了中国网的网友的一个小问题。有网友提问,在月球上挖过来的2千克的月壤,在地球上称还是2千克吗?

张玉花:我们这个质量,我刚才说用来要作为目标,也作为我设计样品容器大小的一个(参照的)东西,所以我这个质量是根据我样品的密度和要设计的体积算出来的。既然是质量的话,它就是固有的,而不是重量。如果是重量的话,可能说月球上是六分之一的重力,地球上是一个G的重力,也就是这两公斤主要是在地球上是两公斤,在月球上如果用秤去秤,用天平秤的话,它肯定还是两公斤,因为砝码也是六分之一重力。

中国网:取样成功让我们国家成为了世界上第三个获取月球样本的国家,而且这个样本的重量现在也是居于世界的第二位。与美国和苏联的技术相比,我们的技术亮点有哪些?

 张玉花:因为美国是用人来取回来,人的摄取的方式和转移的方式那就比较容易实现。就跟我们(现在的情况)应该是不太好比较,这是将来有待于我们载人探月的时候再去进行比较。在我们前面唯一实现过无人制动月球取样的就是前苏联,前苏联的“Luna”系列其实很多,到现在为止,应该一直到“Luna-24”都发射过了,有些是“绕”,有些是“落”,也有取样返回。我们现在的这个方式,在这一步上我们是一部分可以验证无人和载人之间的技术衔接的一种技术方式。从重量上,我刚才也说了,“Luna”的那个返回舱只有几十公斤,它的样品容器以及当时的取样方式也比较单一。我们这一次既有钻取,又有表取,样品取样又在一个容器里面,无论是它的方式设计还是其他方面,都有我们起点比较高的一个创新性。

中国网:您在之前接受的一次采访中说“能把样品取回来,那就是一种成绩”,从这句话的背后我们感受到这次的取样过程一定是难度非常大的。这个过程中您最担心的是什么情况的出现?目前来看取样是否达到了预期?

张玉花:你说到的那句话,应该是在发射之前接受采访说的。实际上无论是钻取还是表取,还是整个的这个过程,即便我们怎么精细地定位,比如在松软的月亮下面马上碰到坚硬的岩石,就是不是能够取到我们额定的(量)都可能会有一些风险。在样品的封装这个结构有很多步,也有可能会担心有什么不顺利的地方。但是无论是取2公斤、1公斤还是500克,我刚才前面给大家描述的这个复杂的11步的过程都得完成,也证明我们已经有去月球采样品,然后从月球回来,再落到我们预定的地方的能力。所以,我认为这个对(探月)工程的意义就非常重大。当初我们没有做过的甚至我们做过只有一两次成功经验的,在我心里都是担心的。因为这里涉及的环节特别多,指令的正确性,整个测控网工作的协调性,还有可能我们很多工作,大家可能感觉到,都是在半夜或者凌晨进行,这也是特殊的地月关系造成的,人当时也比较疲惫,有操作的风险,各种都有可能。

所以,我认为在没干之前,我们不敢把话说满,心里肯定是有担心的。应该来说,从发射的那一刻到我们返回的那一刻,整个23天的每一步都跟我们预期的一样,几乎没有太多超出预期的东西,实现得都很完美。

中国网:此次带回的无比珍贵的2千克月球物质,将会在接下来的探月任务中发挥哪些重要作用?除此之外,还有哪些重要的科研价值?

张玉花:作为一个工程师,我可能很难把这个问题回答好。为什么呢?就是说月球样品的珍贵是毋庸置疑的,因为我记得我听中国科学院叶培建院士,也是我们探月工程的顾问和前面几次(任务)的总师,他说过一个故事。有一次在联合国进行的一次科技成果展,很多国家的展台上都比较大,展出很多先进的设备,比如德国的设备、法国的设备,但是在美国的展台上,一个偌大的展台很好的灯光,当时它展出的就是一个从月球取回来的岩石,实际上看懂的人就知道,这一块岩石就证明它把这些步、这些控制、这些动力、这些电源整个都实现了。我们也是在把这些都做到了,才有这预计的2公斤样品返回地球。

当时我记得也是在网上看到,当时美国把这个少量的月球样品封在一个水晶的容器里面作为国礼送给一些国家。其中当时中国也得到了1克,大概是1976年的时候吧。这里面1克的月球样品,我们拿出来0.5克作为研究。我们的这2公斤月球样品现在还没有从容器舱出来,但是对它有想法的科学家,他们就非常希望能够通过一种科学的申请方式,从中国能够申请到0.5克或者1克的样品,让他们能够进行研究。所以,这个月球样品能够产生多么(大的作用),对反演月球的形成这一部分能够产生什么样的科学效果,我在这儿不便评说,要把这个工作交给科学家们。

中国网:在中国历次探月任务中,有过航天器在月球轨道上长期飞行,或是最后完全脱离月球引力场去更远的星际空间,从月球轨道上分离并安全着陆,是第一次。这一过程中可能出现的问题和难题是什么?  

 张玉花:这次的任务非常复杂,特别是像月球轨道交会对接,在离地球将近40万公里的地方我们要把这个控制的精度达到厘米级甚至是毫米级。比如我的转移设备允许的偏差是6毫米,对接的设备允许的偏差可能正负5厘米左右。这些控制精度对两个在茫茫太空中的飞行器,它要交会,它要碰到一块儿,甚至要“手拉手”都是非常大的难度。而且月球到地球之间都有时延,还有要通过真空网,这是一些难度。包括月面的取样和上升,这个也是很大的难度。因为这每一步的完成都是靠原来的设计方案,我们虽然在地面做过很多验证,但是有一些东西是没法验证的,比如三分之一重力,比如月球上,我们在月面光照,一照可能就80度、90度、100度,(有)温度差。还有我们在月球轨道上高真空,这些综合起来的效应,只有我们最后通过工程真正实施的时候才能得到验证,这些结果都是原来几次任务没有的。

中国网:在遇到无法验证的情况下,我们的科研人员都付出怎样的努力来攻关?

张玉花:我们为了保证成功,我们做了三步。一个是要设计正确,一个是验证充分,还有一个是过程受控。什么叫设计正确呢?就是我在设计的时候,通过指标的确定、分解、仿真,在我还没有做出东西的时候,我要通过各种数字的、视觉的各种(方式)验证我们的设计方法是正确的,然后尽可能地通过实验来验证。

 我刚才说到的过程受控,当我知道我这个设计方案是可以实现的目标,是正确的,那么它要通过从元器件到硬制板,到电路,到单机,到分系统,到整器的这么一个比较长的一个系统工程。你(做)好了不能代表它都好了,但你要没做好,就代表这个工程没做好。这么来说的话,我们非常注重过程的控制,这里面包括工作的质量和实验的质量,说起来这些很细致的工作就贯穿在一个大的工程里面。

 中国网:这里面有没有让您觉得特别难忘或者印象深刻的事情或者时刻?

 张玉花:我们经常说“归零”的心态。这个工程相对来说,大家在网上可能也看到,时间是比较长的。从真正立项就是十年,在过程研制当中肯定碰到比较多的问题。比如我现在记得比较深的可能就是发射的成功和看到这个返回器在地球上冰天雪地里站立的样子。还有比较多的记忆可能就是我的团队,无论是在上海的研制过程中,还是在靶场的保障过程中,还有飞控中心,很多年轻人都是非常地努力,通宵达旦。比如我们在靶场的模飞测试就需要连续八天,大家就没有怨言,就认为这该我站岗,我就努力站好这一岗。我们是从先辈手里接过这个接力棒,我们后面也要交给更年轻的人,我对航天还是充满信心,也充满希望的。

嫦娥五号探测器系统副总指挥张玉花介绍下一步我国探月任务。   中国网  杨佳  摄影


中国网:2004年,中国探月工程正式立项。从嫦娥一号到嫦娥五号,每一次的探月历程都实现了哪些新突破和提升?

张玉花:我们实际上从嫦娥一号到嫦娥五号,实际上你问的问题就包含了我们中国无人探月的嫦娥工程“绕、落、回”的三步。第一步就是嫦娥一号和嫦娥二号,我们没有去过月球,我们要去月球,要形成环月球的轨道,看看月球是什么样的,这几乎就是嫦娥一号的任务。 第二步就是“落”。“落”又分嫦娥三号和嫦娥四号。嫦娥三号和嫦娥四号也是挺成功的,“三号”落在了正面,“四号”在2018年成功地落在月球背面,成为人类第一个落在月球背面,并且是在月球背面软着陆和巡视的探测器。然后迎来了嫦娥五号,“五号”是我们既能去月球,又能从月球带回东西取样,还能从月球月面上升,然后还能从月球回来,我们基本上已经实现了无人探月的所有的这些技术关键的验证。我觉得它的每一步都是为前一步进一步,后一步都是前一步比较大的一个技术台阶的提升。

现在我们经常自己跟自己说的是,我们在探月上已经从“跟跑”,我们努力向“并跑”达到跟人家一样的水平,甚至在局部领域能够做到“领跑”。所以,航天精神里有一个是叫“自力更生”,就是这样一步一步这么实现,我认为我们是在努力地奔跑,起码一直在往前走。

中国网:因为我们秉持着“自力更生”的航天精神,所以我们才能从跟跑,逐步地将来实现领跑。

张玉花:对。

中国网:我们想知道下一步我国的探月任务还有哪些规划和探索。

张玉花: 嫦娥五号实际上在2017年就绪可以发射了,但是我们处于一种等待的状态。在这个等待的过程当中,我们一方面是回想和复查,把我们的工作做得更没有缺陷。另一部分,我们开始进行后续的论证,现在关于在月面建立科考站,进行南极的一些取样,因为月球上其实还有很多东西等待我们去探索,比如水、冰的资源,比如我们现在每次到达的地方还都在北纬四十几度的一个比较月海的地方,其它有一些地方我们还没有到达。还有通过一个长期的在月面作为基础的观测,可能就是一个更好的月基的天文平台,这些工作已经提上议程。我们的工程师们、总体部门和工程的一些领导专家们已经开始在论证。这次嫦娥五号的成功,将会为我们的这些工作得到国家批复和立项,可以说快马加了一鞭。我作为嫦娥工程里面的一员,希望能够继续保持这个往前走的势头,把“并跑”或者“领跑”的这一步继续走好。

 
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