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800公斤的嫦娥五號上升器月面起飛,難在哪?
華夏經緯網   2020-12-07 10:43:45   
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  懷揣著2公斤月壤,嫦娥五號探測器上升器做好了起飛準備。臨別時,它看了一眼著陸器。十多分鐘以后,它們將永不再見。接下來的每一步,它必須小心翼翼,毫厘不差…

  落區平坦,起飛第一步,穩了!

  12月3日20時07分,嫦娥五號上升器進入起飛準備模式。這是我國首次在地外天體實施航天器起飛。

  火箭在地球表面起飛有完備的發射塔架支持系統。相比之下,月面起飛條件則簡陋得多。兩天前,嫦娥五號著陸器馱著上升器降落月球。現在,它搖身一變,充當起上升器的發射塔架。

  起飛地形很重要。早在落月之前,來自航天科技集團五院總體部的嫦娥五號探測器系統總體主任設計師舒燕就曾表示,一個擔憂便是著陸器會降落在斜坡上,“月球表面環境復雜,著陸器不一定是四平八穩的狀態,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹處。這會給起飛帶來很大難度。”

  經過大量地面試驗,科研人員最終確保上升器即便落在 20 多度的斜坡上,也能夠順利起飛。“月面起飛前 8 小時左右,探測器的‘大腦’——GNC(制導、導航與控制)系統開始工作。3000 牛發動機點火、上升器起飛后,GNC 系統迅速判斷出上升器的實時狀態,進而將其調整成垂直狀態。”502 所嫦娥五號探測器系統 GNC分系統副主任設計師楊巍說。

  理想的狀態是落區平坦。考慮到采樣后上升器要在月面起飛,嫦娥五號落月的過程也是為上升器選擇“發射場”的過程。為了給上升器起飛創造更好的條件,相較于嫦娥三號、四 號,嫦娥五號對于著陸點的位置精度和平整度要求更高。

  12月1日23時11分,在GNC系統的精準操控下,嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經 51.8度、北緯 43.1度附近的預選著陸區。從著陸影像圖來看,地勢平坦。測試數據顯示,探測器只傾斜了兩度,上升器幾乎是完美的起飛姿態。地面飛控人員長舒了一口氣。

  必須按時起飛,不然生死考驗

  嫦娥五號上升器在等待起飛窗口的到來。

  根據著陸器、上升器的位置姿態和等候在月球上空的軌道器、返回器組合體實際飛行情況,地面飛控人員已經計算出上升器最佳的飛行路線,讓上升器以最省燃料的方式飛向軌返組合體。

  嫦娥五號用于起飛的燃料需要自給自足——從 38 萬公里外的地球攜帶過去。長途跋涉的艱辛讓嫦娥五號難以過多負重,所以,科研人員要為上升器規劃一個最省燃料的月面起飛軌道。嫦娥五號軌道總體主任設計師馬傳令說,這樣做還有一個重要原因——“為后續在月球軌道進行交會對接節省出燃料”。

  航天器在月球軌道交會對接,對中國而言,尚屬首次,有挑戰、更有風險。因此,研制人員必須盡最大可能給上升器留足燃料,以便應對所有的“意料之中”和“意料之外”。

  悉心設定好飛行參數,上升器靜候飛行指令發出。不管是在地球還是在月球 ,航天器發射都涉及到發射窗口。不同于地面,在月面起飛,發射窗口期很短,起飛時機很重要。

  在地球實施運載火箭發射,地球每天自轉一圈,每天都有一次發射機會。而月球則不同,一個月才會完成一次自轉,若錯過了這次發射時機,只能等到下個月再實施。

  這對嫦娥五號來說萬萬不允許。因為如果錯過此次發射窗口,月球會迎來漫長月夜,月表溫度最低可達零下190攝氏度。沒有光照,上升器的能量會慢慢散失,對她而言就是生死考驗。與此同時,等待時間過長,月球上空的軌返組合體也會燃料告急。

  要使后續程序不掉鏈子,解題方式有且只有一個:按時起飛。

  在月球發射一枚微縮版火箭

  23 時10分,上升器的3000牛發動機點火,緊接著,姿控發動機啟動。氣流反推,上升器騰空而起,月球上升起一枚“微縮版的運載火箭”。

  

  安裝在著陸器頂端的分離上升監視相機記錄下了3000牛發動機啟動的過程,并將畫面傳回了地球。這臺相機由航天科技集團五院 508所研制。

  相機拍攝3000牛發動機啟動

  21臺空間發動機互相配合,為上升器提供動力、把控方向、調整姿態。其中,3000牛發動機提供起飛的主要動力,20臺姿控發動機維持姿態方向。

  3000牛發動機雖然首次應用在天問一號火星探測器上,但它最初是為嫦娥五號攻關研制的。發動機深嵌在探測器內部,工作時不斷向四周輻射高溫熱浪。如何避免器上設備受到影響?研制人員采取了增加隔熱屏的熱防護方案,確保周圍的產品不被烤壞,進而保證順利完成任務。

  發動機噴出的氣流是另外一大隱患。通常,火箭在大氣層內噴出的氣流稱為尾焰,在大氣層外噴出的氣流稱為羽流。

  火箭在地面起飛時,發射臺下都有一個特別大的導流槽,發動機尾部噴出的極高溫火焰通過開敞的空間排走,不會“擁堵”在發動機出口從而影響發動機功能。但是,上升器從月面起飛,作為起飛平臺的著陸器不可能像地球發射塔架那樣配置導流槽。

  嫦娥五號上升器推進子系統主任設計師趙京介紹,3000 牛發動機安裝在上升器的底部中心位置,噴管離著陸器頂板僅20 厘米。為了在這20厘米的空間內將羽流排導出去,科研人員巧妙地設計了一個小型導流錐。

  為了解決這個核心難題,科研人員開展了嫦娥五號全尺寸羽流導流綜合驗證試驗。該試驗被列為探月三期的重大專項試驗之一,主要驗證典型工況條件下上升器發動機月面點火起飛時,火焰羽流產生的綜合力、熱效應及發動機與羽流導流裝置的相容性,試驗系統復雜、技術難度大、安全風險高。

  2015年6月~7月,綜合驗證試驗在位于北京的航天科技集團六院 101所軌姿空發動機試驗區分三個階段進行。試驗在低溫、真空環境下進行,參試產品與飛行產品尺寸一致,是我國首次進行 1:1 比例的航天飛行器全尺寸羽流試驗,使用了一系列新設備和新技術。

  “最終,三個階段綜合驗證試驗取得圓滿成功,證明發動機能夠適應尾部比較局促的排氣環境,為嫦娥五號上升器月面點火起飛提供了安全保障。”嫦娥五號探測器系統副總設計師洪鑫說。

  38萬公里外,“最強大腦”完美智控

  800公斤重的上升器離開了著陸器表面。整個月面上升段用時 6 分鐘左右,上升器經過垂直上升、姿態調整、軌道入射,進入近月點約 15 公里、遠月點約180公里的交會對接初始軌道。

  在3000牛發動機點火的第二秒,GNC 系統開始對上升器進行控制,考慮到38萬公里的地月距離帶來的信號時延,控制指令早已寫好,并注入程序。因此,發動機一旦啟動,探測器需要自主完成整個上升過程。這個時候,GNC系統將發揮核心作用。

  月面上升時,重力場,發動機的推力、指向,敏感器的測量等都會存在一定誤差,這就需要 GNC 系統設計出冗余。楊巍介紹,在起飛過程中,GNC系統就像上升器的“最強大腦”,通過采用類似人工智能的技術,提升自主性,助力其平穩度過上升起飛期。在GNC系統的調控下,各種型號的發動機和星敏感器、陀螺儀等互相配合。發動機為上升器提供動力,并幫助其調整姿態;星敏感器用來測姿態;陀螺儀用來測速度。就像開汽車一樣,司機始終要知道自己的位置、速度和目標,不斷地優化調整,最終到達目的地。

  除了正常的飛行程序,GNC系統的另一個重要作用是備好故障預案。月面起飛條件苛刻,必須依靠自主定位定姿方法確定起飛的狀態。如果在起飛過程中出現故障,也要迅速拿出解決方案。比如,在起飛過程中,萬一3000牛發動機出現故障,GNC 系統將迅速啟動其他發動機繼續工作,保障上升器順利進入月球軌道。“上升過程不可逆,出現任何異常地面都無法補救。因此,除了加強探測器的可靠性設計外,我們還開展了大量的地面試驗。”舒燕研制上升器十年,12月3 日,看著這個小家伙從月面“翩翩起飛”,如同在欣賞一幅絕美畫面。

  上世紀,美國和蘇聯已經掌握了月面起飛技術,這成為他們得以采回月球樣本的關鍵所在。這是人類進入更遠深空探索地外天體的必備能力 。

  如今,中國人掌握了這種能力——來自中國的嫦娥五號上升器帶著月壤,成功突破月球第一宇宙速度(約1.68 公里/秒),離開月面,進入環月軌道。

  中國人第一次完成了地外天體的完美起飛。

  文/中國航天報記者 趙聰

  圖/國家航天局

 

責任編輯:胡光曲

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