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“大火箭”成功送“嫦娥五号”奔月!揭秘三大看点

来源:中国运载火箭技术研究院微信公众号2020-11-24 查看数0

11月24日4时30分,海南文昌发射场,长征五号遥五火箭托举“嫦娥五号”月球探测器呼啸升空。随后,“嫦娥五号”成功入轨,发射取得圆满成功!

探月三期工程收官之战

我国探月工程分为“绕、落、回”三步走,“嫦娥五号”将执行月球采样返回任务,完成最后一步——回。因此,此次任务意义重大,是我国探月三期工程的收官之作,发射的成功为探月三期工程的圆满完成奠定了重要基础。

这是火箭院第6次执行探月工程任务,此前均由长征三号甲系列火箭完成,先后将“嫦娥一号”“嫦娥二号”“嫦娥三号”“嫦娥五号T1再入返回飞行器”和“嫦娥四号”送入预定轨道,发射成功率100%。

2007年10月24日

长征三号甲火箭成功发射“嫦娥一号”,我国成为世界上第5个自主发射月球探测器的国家。

2010年10月1日

长征三号丙火箭成功发射“嫦娥二号”,我国成功突破直接地月转移轨道发射技术。

2013年12月2日

长征三号乙火箭成功发射“嫦娥三号”。此次任务的圆满成功,使我国成为世界上第3个实现月面软着陆和月面巡视探测的国家。

2014年10月24日

长征三号丙火箭成功发射“嫦娥五号T1再入返回飞行器”,为“嫦娥五号”探路。

2018年12月8日

长征三号乙火箭成功发射“嫦娥四号”,执行月球背面软着陆和巡视探测任务。

2020年11月24日

长征五号火箭成功发射“嫦娥五号”,执行月面采样返回任务。

此次发射的“嫦娥五号”重量更重,约8.2吨,是此前发射的“嫦娥四号”月球探测器重量的2倍还多,因此要由我国运载能力最大的长征五号火箭来发射,将其送到近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。

“嫦娥五号”发射任务是长征五号火箭立项研制后较早明确的国家重大工程任务。历经十年,“大火箭”终于与“嫦娥”携手奔月,举国关注、举世瞩目,发射凸显三大看点。

看点一:15选1,最优轨道奔月

“嫦娥五号”与“大火箭”分离后,还要飞行数天才能够到达月球。奔月之旅,路途遥远,“大火箭”为了让“嫦娥”姑娘省点儿力气,可以说贴心至极。

常规任务,一枚火箭有一条轨道就行了。探月三期工程对火箭发射概率和发射窗口提出了更高的要求,为克服台风过境影响、提升故障适应性,设计团队精心优化设计了连续3天、每天连续50分钟的主份和备份多轨道奔月发射方案。

长征五号火箭总体副主任计师刘秉介绍,与近地轨道任务相比,探月任务的轨道设计更加复杂。由于地月距离较远,探测器用于中途修正所需的推进剂有限,而地球和月球的相对位置在不断发生变化,还要考虑火箭与探测器分离后的光照因素,这对轨道设计提出了非常高的要求。

为了让“嫦娥五号”更节省推进剂,在研制阶段,火箭开展了精细化的“窄窗口多轨道”关键技术验证攻关,可以在连续3天内,每天有50分钟的窗口,每10分钟一条轨道,共规划15条轨道,每条都可以将探测器准确送入预定轨道。这样的话,“嫦娥五号”踏上奔月旅程后,可以减少轨道偏差的修正次数,既能节省燃料,也能更快地到达月球。

这项技术,在我国首次火星探测任务,也就是几个月前,长征五号火箭发射“天问一号”时,已经得到成功验证。因此,长征五号火箭托举“嫦娥五号”奔月,虽然要求比较高,但“大火箭”却照样应对自如。

看点二:为了奔月,“大火箭”挑战高难度动作

长征五号火箭点火升空后,要飞行2000多秒才能够到达地月转移轨道。为了把“嫦娥五号”精准送达目的地,它要在太空完成一个高难度动作——长时间滑行。

滑行,是指火箭主发动机关机后,火箭靠惯性向前飞行。听上去丝毫不费力气,但实际上,长时间滑行对一枚火箭特别是一枚零下200多度的“冰箭”来说,可是个不小的考验。

刘秉说:“从长征五号火箭二级发动机一次关机到再次点火,中间要间隔最长约900余秒。在这一开一关之间,‘大火箭’需要完成箭体姿态调整、低温发动机二次启动前预冷等工作,动作非常多。另外,滑行时间越长,火箭在空间辐射影响下的环境变化更加复杂,低温推进剂温度和贮箱承受的压力也在不断的变化。”

为了确保“嫦娥五号”发射万无一失,研制人员将长时间滑行作为一大关键技术加以攻克,对“大火箭”长时间滑行适应性开展了深入细致的研究工作,并在长征五号火箭首飞以及后来的多次飞行中得到了成功验证。

看点三:“座椅”更舒适、更安全

到达月球后,“嫦娥五号”要降落到月球,在月面采样后返回地球,因此“嫦娥五号”既包含轨道器、着陆器,也包含上升器、返回器,结构更复杂、块头更大、重量更重。

为了让“嫦娥五号”坐得更安全、更舒适,研制人员开展了大量的器箭联合试验和分析,对它们所处的电磁环境、力学环境、机械接口进行了多轮综合优化。

刘秉介绍:“既要让火箭与探测器的固有频率错开,彼此之间更‘默契’,不产生共振,同时还要让‘嫦娥五号’坐得舒舒服服、稳稳当当。”

在长征五号火箭上,“嫦娥五号”的“座椅”是定制的。原来,卫星与火箭之间通常用包带相连,就像一个腰带一样。但“嫦娥五号”块头太大,以往的包带连接方式最大只能满足2.8米直径的连接要求,而“嫦娥五号”与火箭的接口直径达到了3.1米,传统的包带连接已无法满足“嫦娥五号”任务的需求。

“所以,长征五号火箭采用了一种低冲击分离装置。它既要在飞行过程中连接可靠、安全,让‘嫦娥五号’坐得稳当,又能在器箭分离时降低冲击,让器箭安全舒适地分离。”刘秉说,此外,长征五号火箭整流罩上还专门设置了15个操作口和透波口,以便于“嫦娥五号”进行操作和传输数据。此次任务火箭整流罩的开口数量和总面积超过了以往发射任务,对整流罩的设计及发射场联合操作提出了更高的要求。

对于我国探月工程来说,这次任务是探月三期工程的收官之战。对于长征五号系列火箭来说,这也是今年的收官之战。

从去年年底开始,长征五号系列火箭进入了高密度发射阶段:2019年12月27日,长征五号遥三火箭发射成功;2020年5月5日,长征五号B火箭首飞成功;2020年7月23日,长征五号火箭成功发射“天问一号”火星探测器;2020年11月24日,长征五号火箭成功发射“嫦娥五号”月球探测器。

预计到明年初,长征五号B火箭还将发射空间站核心舱。一年内4次成功,15个月间5发任务,“大火箭”迎来了新跨越!

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