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“大火箭”成功送“嫦娥五號”奔月!揭秘三大看點

11月24日4時30分,海南文昌發射場,長征五號遙五火箭托舉“嫦娥五號”月球探測器呼嘯升空。隨后,“嫦娥五號”成功入軌,發射取得圓滿成功!

長征五號運載火箭奔向蒼穹

點火升空  史嘯 攝

一箭穿云  史嘯 攝

探月三期工程收官之戰

長征五號遙五火箭  張翰  攝

我國探月工程分為“繞、落、回”三步走,“嫦娥五號”將執行月球采樣返回任務,完成最后一步——回。因此,此次任務意義重大,是我國探月三期工程的收官之作,發射的成功為探月三期工程的圓滿完成奠定了重要基礎。

這是火箭院第6次執行探月工程任務,此前均由長征三號甲系列火箭完成,先后將“嫦娥一號”“嫦娥二號”“嫦娥三號”“嫦娥五號T1再入返回飛行器”和“嫦娥四號”送入預定軌道,發射成功率100%。

2007年10月24日

長征三號甲火箭成功發射“嫦娥一號”,我國成為世界上第5個自主發射月球探測器的國家。

2010年10月1日

長征三號丙火箭成功發射“嫦娥二號”,我國成功突破直接地月轉移軌道發射技術。

2013年12月2日

長征三號乙火箭成功發射“嫦娥三號”。此次任務的圓滿成功,使我國成為世界上第3個實現月面軟著陸和月面巡視探測的國家。

2014年10月24日

長征三號丙火箭成功發射“嫦娥五號T1再入返回飛行器”,為“嫦娥五號”探路。

2018年12月8日

長征三號乙火箭成功發射“嫦娥四號”,執行月球背面軟著陸和巡視探測任務。

2020年11月24日

長征五號火箭成功發射“嫦娥五號”,執行月面采樣返回任務。

此次發射的“嫦娥五號”重量更重,約8.2噸,是此前發射的“嫦娥四號”月球探測器重量的2倍還多,因此要由我國運載能力最大的長征五號火箭來發射,將其送到近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉移軌道。

火箭吊裝  史嘯  攝

“嫦娥五號”發射任務是長征五號火箭立項研制后較早明確的國家重大工程任務。歷經十年,“大火箭”終于與“嫦娥”攜手奔月,舉國關注、舉世矚目,發射凸顯三大看點。

看點一:15選1,最優軌道奔月

“嫦娥五號”與“大火箭”分離后,還要飛行數天才能夠到達月球。奔月之旅,路途遙遠,“大火箭”為了讓“嫦娥”姑娘省點兒力氣,可以說貼心至極。

常規任務,一枚火箭有一條軌道就行了。探月三期工程對火箭發射概率和發射窗口提出了更高的要求,為克服臺風過境影響、提升故障適應性,設計團隊精心優化設計了連續3天、每天連續50分鐘的主份和備份多軌道奔月發射方案。

駛出垂直總裝測試廠房  張翰  攝

長征五號火箭總體副主任計師劉秉介紹,與近地軌道任務相比,探月任務的軌道設計更加復雜。由于地月距離較遠,探測器用于中途修正所需的推進劑有限,而地球和月球的相對位置在不斷發生變化,還要考慮火箭與探測器分離后的光照因素,這對軌道設計提出了非常高的要求。

為了讓“嫦娥五號”更節省推進劑,在研制階段,火箭開展了精細化的“窄窗口多軌道”關鍵技術驗證攻關,可以在連續3天內,每天有50分鐘的窗口,每10分鐘一條軌道,共規劃15條軌道,每條都可以將探測器準確送入預定軌道。這樣的話,“嫦娥五號”踏上奔月旅程后,可以減少軌道偏差的修正次數,既能節省燃料,也能更快地到達月球。

這項技術,在我國首次火星探測任務,也就是幾個月前,長征五號火箭發射“天問一號”時,已經得到成功驗證。因此,長征五號火箭托舉“嫦娥五號”奔月,雖然要求比較高,但“大火箭”卻照樣應對自如。

由技術區轉入發射區  張翰  攝

看點二:為了奔月,“大火箭”挑戰 高難度動作

長征五號火箭點火升空后,要飛行2000多秒才能夠到達地月轉移軌道。為了把“嫦娥五號”精準送達目的地,它要在太空完成一個高難度動作——長時間滑行。

滑行,是指火箭主發動機關機后,火箭靠慣性向前飛行。聽上去絲毫不費力氣,但實際上,長時間滑行對一枚火箭特別是一枚零下200多度的“冰箭”來說,可是個不小的考驗。

整裝待發 張翰  攝

劉秉說:“從長征五號火箭二級發動機一次關機到再次點火,中間要間隔最長約900余秒。在這一開一關之間,‘大火箭’需要完成箭體姿態調整、低溫發動機二次啟動前預冷等工作,動作非常多。另外,滑行時間越長,火箭在空間輻射影響下的環境變化更加復雜,低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷的變化。”

為了確保“嫦娥五號”發射萬無一失,研制人員將長時間滑行作為一大關鍵技術加以攻克,對“大火箭”長時間滑行適應性開展了深入細致的研究工作,并在長征五號火箭首飛以及后來的多次飛行中得到了成功驗證。

看點三:“座椅”更舒適、更安全

到達月球后,“嫦娥五號”要降落到月球,在月面采樣后返回地球,因此“嫦娥五號”既包含軌道器、著陸器,也包含上升器、返回器,結構更復雜、塊頭更大、重量更重。

為了讓“嫦娥五號”坐得更安全、更舒適,研制人員開展了大量的器箭聯合試驗和分析,對它們所處的電磁環境、力學環境、機械接口進行了多輪綜合優化。

器罩組合體  史嘯  攝

劉秉介紹:“既要讓火箭與探測器的固有頻率錯開,彼此之間更‘默契’,不產生共振,同時還要讓‘嫦娥五號’坐得舒舒服服、穩穩當當。”

在長征五號火箭上,“嫦娥五號”的“座椅”是定制的。原來,衛星與火箭之間通常用包帶相連,就像一個腰帶一樣。但“嫦娥五號”塊頭太大,以往的包帶連接方式最大只能滿足2.8米直徑的連接要求,而“嫦娥五號”與火箭的接口直徑達到了3.1米,傳統的包帶連接已無法滿足“嫦娥五號”任務的需求。

“所以,長征五號火箭采用了一種低沖擊分離裝置。它既要在飛行過程中連接可靠、安全,讓‘嫦娥五號’坐得穩當,又能在器箭分離時降低沖擊,讓器箭安全舒適地分離。”劉秉說,此外,長征五號火箭整流罩上還專門設置了15個操作口和透波口,以便于“嫦娥五號”進行操作和傳輸數據。此次任務火箭整流罩的開口數量和總面積超過了以往發射任務,對整流罩的設計及發射場聯合操作提出了更高的要求。

整流罩吊裝  張森宇  攝

火箭卸船  張森宇  攝

對于我國探月工程來說,這次任務是探月三期工程的收官之戰。對于長征五號系列火箭來說,這也是今年的收官之戰。

從去年年底開始,長征五號系列火箭進入了高密度發射階段:2019年12月27日,長征五號遙三火箭發射成功;2020年5月5日,長征五號B火箭首飛成功;2020年7月23日,長征五號火箭成功發射“天問一號”火星探測器;2020年11月24日,長征五號火箭成功發射“嫦娥五號”月球探測器。

預計到明年初,長征五號B火箭還將發射空間站核心艙。一年內4次成功,15個月間5發任務,“大火箭”迎來了新跨越!

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