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中美登月能力比拼:嫦娥技术或可用于火星登陆

2013-12-16 12:40:04 来源: 新华网    文字大小:   [举报] 已有评论(0)

 
 
 



  嫦娥三号月面软着陆示意图
 
 

  我国月面软着陆已经迟到了近半个世纪?


 
 

  新华网消息 据大公网报道,嫦娥三号作为嫦娥工程的第三颗探月探测器,其任务目的是在月球表面着陆,比嫦娥一号和二号更进一步,携带了月球车等月面巡视装备,登陆地点位于月球的虹湾地区,预计整个月面巡视时间为三个月左右,探测范围接近5平方公里。嫦娥三号在12月2日的凌晨发射,登月时间为12月14日晚上,本次登月是1976年以来第一艘在月球实施软着陆的月球探测器,这也是我国研制的探测器首次的地外天体上进行软着陆,能掌握地外天体软着陆技术的国家屈指可数,印度也想尽早在月球上着陆,但是其软着陆技术并没有达到所需的水准,就采用了撞月的方式,直接撞击月球表面,并美曰其名为寻找月球上的水资源。


 
 

  事实上撞击月球也是一种探月手段,这需要看这艘探测器的任务是什么,印度的月船一号任务也是由两个部分任务组成,一个是月球轨道探测器,负责在环月轨道上运行,另一个则是撞击月球表面的硬着陆探测器,整个项目耗资仅为8000万美元,算是比较入门级的月球探测计划,取得的效果也比较有限。美国国家航空航天局在2009年发射的月球勘测轨道飞行器则是一艘非常先进的月球探测器,任务同样也由两个部分组成,一个是环月轨道运行的探测器,另一个则是月球撞击坑观测和遥感探测器,后者负责的任务是撞击月球,环月探测器的任务是在月球轨道上捕捉撞击产生的羽状尘埃,当撞击探测器将月球表层以及以下土壤扬起,就会在空中形成大量撞击尘埃,而轨道探测器就对尘埃结构进行分析,计算出撞击点附近乃至月球表面的近表层土壤水资源分布,除了环月探测器外,美国国家航空航天局还动用了陆基望远镜阵列对月球上"腾起"的羽状尘埃结构进行分析,这样才能较为全面地了解月球表面以及下方数十米深的物质组成,因此对月球进行硬着陆的任务也是探测月球的一种手段。


 
 

  月球任务中使用软着陆技术可追溯到美苏登月竞赛阶段,那个时代是对月球进行大规模探索的年代,各种技术如同井喷般发展,当然最早的几种月球探测器还是以撞击月球这样硬着陆的方式完成对月球的调查,比如美国国家航空航天局研制的徘徊者系列探测器,该系列在1960年代初发射入轨,前几次任务全部失败,毕竟探月技术完全是从无到有,比如行星际探测器上的一个很普通的技术:如何把天线对准地球方向,徘徊者系列探测器任务目的之一就是要确认这项设计是否可行,此外还有在转移轨道上如何制动,将探测器的速度降低至多少后脱离轨道,进而被月球的引力捕捉,成为一颗绕月探测器,如果速度太快就冲了过去,月球引力完全无法捕捉到探测器,或者撞上月球,在徘徊者系列探测器任务阶段上,轨道设计依然带有验证性的目的,徘徊者7号探测器和8号完成了撞击月球的任务,其中8号硬着陆点位于静海,这也是阿波罗载人登月计划的着陆点。


 
 

  软着陆技术让当时的工程师了解到月球表面土壤大致密度,以及接近在近月面层上会出现何种情况,登月过程中需要在哪个高度上控制登月舱,确保软着陆过程中不会"踩"到月球上的撞击坑,造成登月舱倾倒。典型的软着陆任务由美国国家航空航天局在1966年至1968年执行的勘察者探测器,除了两次任务失败之外,共有5艘勘察者探测器成功登陆月球表面,降落点分布较广,比如风暴洋、静海、第谷撞击坑等,这些都是美国国家航空航天局试图进行载人登陆的地点,证实勘察者系列探测器的任务使得当时的美国人认为月球表面是可以满足软着陆要求的,也就是说可以满足人类站在月球表面上,我们现在回溯这个探索历程,觉得有着不可思议,毕竟那个年代对月球的了解积累几乎没有,完全依靠几个拿起来就用的航天器技术对月球表面进行探测,并根据这些数据来制定载人登月计划。


 
 

  苏联在美苏登月竞赛早期处于较为领先的状态,比较著名的就是月球系列探测器,从月球1号开始,苏联实现的探月过程的领先,发射了第一艘月球探测器,也是第一艘人类制造的探测器掠过月球,当然仅仅是飞掠,而不是环月,月球2号则是第一艘在月球表面实现硬着陆的探测器,其实这艘探测器上携带了苏联国徽,其探索意义明显要低于其政治意图,当月球2号摔在月球表面上时,说明人类制造的航天器第一次落在地外天体上,而苏联人则把国徽挂到了月球上,从当时的背景看,月球系列探测器确实取得了不错的开端,要知道月球1号是第一艘摆脱地月系引力的探测器,是第一颗人造行星,围绕太阳公转。


 
 

  事实上,美苏登月进程中都是首先在月球上硬着陆,先解决有无的问题,然后开始研究软着陆技术,而在寻找软着陆过程中,又不可避免地要进行硬着陆,这是又回到了那个老问题上:轨道设计,传统的登月过程首先的成为地球的卫星,然后进行轨道修正,进入转移轨道,接着被月球引力捕获,成为月球卫星,这一过程看似简单,难度却不小,直接导致了美苏数艘探测器不是直接成为人造行星,就是在月球上硬着陆,比如苏联的月球7号,本来是验证软着陆技术,就是因为制动点发动机点火太早,错过了切入角度,然后就直接撞月了。


 
 

  第一艘在月球上实现软着陆的探测器是1966年苏联的月球9号,其任务目的也很简单,月球表面到底适不适合着陆,结论是适合,着陆后完成了对月球环境的拍摄,对一些基本的物化参数进行了探测,到了月球17号任务时,不仅完成了月球表面的软着陆,还携带了一辆月球车,这个任务设计与嫦娥三号比较相似。事实上苏联在无人探月上取得第一并不少,第一艘从月球表面返回的探测器也是苏联,即月球16号,软着陆方式为反推发动机制动,登陆装置为四个缓冲着陆支架,作为苏联的第三代月球探测器,月球20号任务则被埋没了,因为当时美国人已经完成了登月。


 
 

  从现代航天发展看,月球表面软着陆技术并不难,但如果要在月球表面上软着陆,就要把探测器送往月球,并了解月球表面的基本情况,仅仅从软着陆技术本身看,软着陆有些类似太空探索技术公司的"蚱蜢"火箭,当探测器进入近月点开始软着陆过程中,需要有一个较为合适的最优控制律,以嫦娥三号探测器为例,在近月15公里的高度上就要进入动力下降阶段,该过程明显要进行一些探测器姿态控制和调整,一直到接近月面大约2公里的位置,抵达2公里左右的高度时,探测器的水平速度必须减到零,速度完成在垂直方向上,水平方向为平衡状态,这时候就要控制发动机的推力分配,状态控制发动机就在这时候起到关键作用,一般情况下只要制动控制得当,基本可以实现软着陆,但是在近月面时需要有足够的时间观察着陆点周围的地形是否平坦,因为着陆支架容易受到月球不平整地形的影响,甚至造成登月探测器翻倒。


 
 

  月球上几乎没有大气结构,基本近似于真空环境,软着陆主要依靠发动机制动,从阿波罗登月舱的设计看,登月舱下降发动机需要有强大的变推力性能和多次真空启动能力。探测器在下降过程中也需要使用到变推力动力,下降过程燃料肯定要消耗,探测器总质量也下降,因此发动机推力就必须改变,流量调节阀的面积就要可变,燃烧室的压力也要维持,因此一些球形的设计方案就有利于压力的控制,对下降段发动机性能有着非常关键的作用。嫦娥三号的总质量也才3.7吨,下降段对发动机的推力的要求并不太大,相比较载人登月舱而言,嫦娥三号不需要大推力的变推力发动机,但是如果我国要进行载人登月,那么这一道关是必须迈过的。


 
 

  在月球上软着陆是地外天体登陆的初级示范,月球是距离我们最近的天体,对月球的深入探索也进行了半个多世纪,月球表面存在一些稀有气体,总体可以近似真空状态,因此登月探测器都不需要考虑隔热的措施,相比较于登陆火星而言,月球软着陆要简单一些,比较先进的火星登月技术还属美国国家航空航天局的好奇号火星车,质量近1吨的火星车通过一整套复杂的登陆装置着陆,过程中不仅要抛出减速伞,还设计了一种全新的反推起重机,同样当水平速度减为零后,反推起重机通过缆绳把火星车吊放到火星表面,整个过程堪称机械自动化设计的完美之作。因此嫦娥三号的软着陆技术相对于我国而言是个未曾涉足的领域,成熟之后也可以应用到火星软着陆上,地外天体的软着陆方案需要因地制宜,月球几乎没有大气结构,因此会相对简答一些,如果登陆金星、火星等具有大气结构的地外天体,那么情况就会复杂很多,至少要考虑隔热、减速伞、反推发动机,如果遇到地外天体大气中有其他酸性物质,或者强辐射环境,那还需要对着陆器增加保护措施,这无疑增加了探测器质量,对火箭系统又提出了新的要求,航天探索是个环环相扣的过程,综合对比就可以看出,月面软着陆还是相对较为简单的。(作者为大公军事评论员 红岸)


 

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