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嫦娥五号第二次月地转移入射成功



记者从国家航天局获悉,北京时间12月13日9时51分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体实施第二次月地转移入射,在距月面230公里处成功实施四台150牛发动机点火,约22分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功




后续,携带月球样品的嫦娥五号轨道器和返回器组合体将在月地转移过程中进行中途轨道修正,并择机实施轨道器和返回器的分离。
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中新网北京12月12日电记者从中国国家航天局获悉,北京时间12月12日9时54分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了约6天的环月等待,实施了第一次月地转移入射,从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



嫦娥五号探测器第一次月地转移入射示意图。图片提供:国家航天局; 支持单位:“我们的太空”创新实践中心、北京航天飞行控制中心
国家航天局专家介绍,月地转移入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



嫦娥五号探测器星下点轨迹。图片提供:国家航天局; 支持单位:“我们的太空”创新实践中心、北京航天飞行控制中心

后续,携带月球样品的轨道器和返回器组合体将择机实施第二次月地转移入射,从而摆脱月球引力,进入月地转移轨道返回地球。
嫦娥五号为什么要在月球轨道上呆那么久?
嫦娥五号是11月24日凌晨发射升空的,到今天已经过去了17天,这小五从月面采掘的样品在12月6日就打包完成了,到今天也过去了5天,还在月球轨道上蹉跎,咋还不回来呢,我们都等着急了!

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嫦娥五号采样返回,中国执行过的最复杂任务
嫦娥五号从一号和二号的绕月地形“普查”任务,到三号和四号的无人探测器落月任务,和环绕探测任务相比,落月要困难的多!

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因为月球无大气层,所以全程动力下降,其中难度最高的就是7500牛的变推力,道理很简单,月球登陆的不同阶段有不同推力需求,因此在在1500牛~5000牛工作时,要确保任意推力可调的绝对可靠,最后落月悬停时,全推力让组合体悬停着陆点上空,机载计算机才有时间通过激光扫描获得的地形选择落月位置!

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因此经过三号和四号落月检验后,嫦娥系列的7500牛变推力发动机已经炉火纯青,但到了嫦娥五号,又提出了一个新要求,除了变推力发动机降落月面以外,还得让上升器从月面起飞,所以上升器还需要在月球表面点火发射!

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所以整个嫦娥五号的任务从四号的着陆器+月球车,变成了轨道器、返回器和着陆器与上升器,去了还得带样品回来,整个复杂度上升何止一倍,而是数倍!

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为此月面机械臂需要在月面接近130度的高温下采样,还要保证稳定可靠不出错,另外还有月面小型钻探设备钻入2米深度取样,最后放入样品仓封闭,在月球轨道上完成转移,再让上升器在分离,然后轨道器和返回器脱离月球引力,一起返回地球!

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嫦娥五号返回,且看小飞是怎么飞回来的!
12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,6时12分将样品容器安全转移至返回器中,之后的嫦娥新闻就是上升器可控坠月,地点位于月经0度,南纬30度的月面,据说LRO围观了此次撞月行动。

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自此之后嫦娥五号就没有消息了,大家实在是着急,当然官方不吭声,咱也不能乱讲,下面我们先来看看2014年的嫦娥五号T1飞行试验器返回过程,毕竟这两个飞行器结构一致,唯一的差别只是一些细节和有没有样品的问题,所以T1飞行器和嫦娥五号的返回器过程没有差别!

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嫦娥五号T1飞行试验器的返回过程
嫦娥五号的T1试验飞行器有服务舱和返回器,总质量2350千克,而返回器总外形和神舟系列飞船很相似,只是大小不一样,T1飞行器直径和高度均只有1.25米,总质量330千克。

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2014年10月24日2时,长征3号丙改二型火箭在西昌卫星发射中心直接将飞行器送入了近地点高度为209km、远地点高度41.3万千米的地月转移轨道,并且在3天后的10月27日11时30分进入月球引力范围

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1、10月28日凌晨3时左右经过月球的近月点,开始了返回之旅;
2、10月28日19时40分离开月球引力影响的希尔球,进入月地转移轨道;
3、11月1日5时53分,轨道器和返回舱分离,此时飞行器位于南大西洋上空,距离地面5000千米高度,速度大约10.8千米/秒
4、6时10分,测控中心发出建立载入返回姿态命令,此时返回器位于索马里以东的东印度洋上空,距离地面120千米;
5、6时12分进入水漂弹道的第一次减速走廊,持续3分钟的黑障,并在6时15分深空控制结束,小飞被弹回太空,此时速度已经下降到第一宇宙速度以下!
6、6时22分小飞在中国青海上空进入水漂弹道的第二次减速走廊,黑障区大约4分钟
7、6时32分,在内蒙古四王子旗上空10千米处抛掉伞舱舱盖,十几秒后减速伞弹出带出主伞,6时41分,小飞着陆四王子旗预定着陆点。

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从水漂弹道的第一次减速开始,到着陆点为止,再入返回走廊全程大约2万千米,它的难点在于升力控制,小了变成弹道返回,大了弹回宇宙空间,或者控制不准确落到了人家家里那就尴尬了!
嫦娥五号组合体到底什么时候启程?
根据小飞的时间节点,我们推测下组合体从月球轨道启程的时间,嫦娥五号总任务天数23天,它应该在17日回来,小飞从月球启程到地球大约耗时4天,嫦娥五号轨道器组合体不会低于这个时间。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



因为小飞的组合体没有入轨月球,它没有逃离月球加速的过程,但差不了多久,因此比照嫦娥五号组合体,应该在11月13日左右启程回家。
嫦娥五号返回器从哪个方向进入中国?
尽管有很多轨道可以水漂进入并到达内蒙古四王子旗着陆场,但为降低轨道器和地球相对速度,那么肯定会以地球自转同向的方向进入返回走廊,那么大致是从西向东,由于星下点必须经过内蒙古,那么方向有两个,一个是西北方向,一个是西南方向!

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阿根廷内乌肯深空测控站——阿根廷深空站
西北方向测控比较麻烦,需要在北大西洋甚至北美洲上空测控并注入再入姿态指令,而中国在阿根廷境内建设有内乌肯深空测控站,因此此次嫦娥五号的再入必定和小飞一致,从南大西洋上空进入地球,路线估计和小飞几乎没有差别,这是一条经典的半弹道返回路线,预计未来的再入半弹道都会使用这条走廊,甚至未来的载人登月和载人火星登陆返回!

跨越38万公里的“太空牵手”,嫦娥五号是如何做到的?
记者从国家航天局获悉,北京时间12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接。
从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程自主控制,轨道器和返回器组合体逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕获上升器,完成交会对接。
后续,嫦娥五号轨道器和返回器组合体将与上升器分离,择机返回地球。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



↑轨道器与上升器完成交会对接
月球轨道的浪漫牵手
交会对接在我国航天领域已经是一项比较成熟的技术,此前的载人航天工程任务中,我国航天器在近地轨道已进行过多次交会对接,五战五捷的表现足以证明,我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是,这次是在距离38万公里之外的月球轨道,技术难度更大。
在交会对接过程中,地面人员只能“观棋不语”不能参与其中,因为月球轨道的交会对接精度要求是厘米级,而目前地面对38万公里外的测控精度是公里级,加之相较于神舟飞船的交会对接,月球轨道每圈有1/3的时间位于不可测弧段,所以,人工导引至此结束,后续的交会和对接过程将由制导导航与控制系统智能自主完成,这一过程称之为近程自主控制段,这对GNC系统的自主管理、自主诊断、自主重构等方面提出了极高的智能和可靠性要求。
在近程自主控制段,GNC系统会实时调整自己的轨道和姿态,在微波雷达、激光雷达和交会对接相机的接力保障下,轨返组合体一步步追上上升器,直到可以牵手的距离,之后双方保持相同速度飞行。
和我国现已掌握的地球轨道交会对接采用的小星追大星,用弱撞击的方式实现对接不同,嫦娥五号轨返组合体追上升器属于大星追小星,如果用撞击的方式对接会把上升器撞飞,所以,嫦娥五号采用的停控加抓取的方式,就是在轨道器追上上升器并以相同速度飞行过程中,从后面 “伸手”牵过上升器之后拉紧,实现对接。
地球轨道上的交会对接如果不成功可以撤回来重来,嫦娥五号的月球轨道交会对接受制于月地返回窗口、热控、能源等约束,嫦娥五号月球轨道交会对接必须规定时间内完成,若时间太长,则星上能源、热控将无法支撑;若一次不成功,撤回,重新组织,则地月关系发生变化,将有很大风险错过月地返回窗口,因此从保安全的角度可以说月球轨道交会对接任务是不可逆的,必须在规定时间内一次完成。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



↑轨道器逐渐接近上升器
为交会对接打造千里眼、顺风耳
成功引导嫦娥五号实现首次月球轨道无人交会对接的关键技术之一是由中国航天科工集团有限公司研制的微波雷达,它是探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段。
月球轨道微波雷达由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100km时,微波雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数,并进行双向空空通信,两航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。
“与近地轨道相比,月球轨道没有卫星导航等服务资源,微波通信是中远距离的唯一手段。月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。”航天科工二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武介绍。
装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会严重降低测角精度。据青年设计师纪博介绍,“为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩,“就像给’千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’了。”
科研人员为这次交会对接打造的不仅是“千里眼”,还有“顺风耳”。 微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”,从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。这就好比老师上课点名,以前是雷达发消息,应答机答“到”。而现在它们不仅自己要通话,还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。

嫦娥五号第二次月地转移入射成功



↑北京飞控中心指挥大厅
“抱爪”机构让对接更精准
载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构,在对接后可形成一个80公分左右的通道,方便航天员在其中穿行。而与近地轨道的任务不同,月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制,嫦娥五号的对接机构必须做到小而精,其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一,同时,还要具备样品容器捕获、自动转移功能,重量更轻、精度更高、过程更稳。
“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此,我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。
“所谓的抱爪,其实形象地说,就像我们手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的紧密连接。
而轨道器和上升器对接完成后,还要进行一个重要动作,就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。
“连杆棘爪式转移机构,采用了一个非常巧妙的设计。”胡震宇介绍,“我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带,相连后就只能单方向传递,只能前进不能后退。”




嫦娥五号成功进入月地转移轨道

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