上升器在月面起飛（藝術(shù)圖）
鈦媒體注 ：本文來自騰訊太空，作者為喬輝，鈦媒體經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
據(jù)央視新聞消息，2020年12月3日23點(diǎn)10分左右，嫦娥五號(hào)“上升器”搭載著從月球采集的樣品從月面順利起飛，這也是我國探測(cè)器首次在地外天體起飛。
圖注：上升器在月面起飛（藝術(shù)圖）
接下來，嫦娥五號(hào)上升器進(jìn)入環(huán)繞月球軌道，將擇機(jī)與正在環(huán)繞月球運(yùn)行的軌返組合體對(duì)接。
1、我國探測(cè)器首次在地外天體起飛
我們知道，此前嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)探測(cè)器都成功著陸月球，因此本次嫦娥五號(hào)落月階段，我們還是比較有經(jīng)驗(yàn)和信心的，但控制探測(cè)器從月面起飛還是第一次，之前沒有做過。
圖注：嫦娥五號(hào)探測(cè)器的四部分（圖片來源：國家航天局）
為了便于理解嫦娥五號(hào)上升器如何在月面起飛，我們了解一下嫦娥探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)：嫦娥五號(hào)探測(cè)器由四大部分組成：著陸器、上升器、軌道器和返回器。其中，著陸器和上升器作為一個(gè)整體（著上組合體）一起落到月面。軌道器和返回器作為另一個(gè)整體（軌返組合體）繼續(xù)圍繞月球運(yùn)動(dòng)，等待上升器的凱旋歸來。
圖注：上升器在月面起飛（藝術(shù)圖）
當(dāng)著陸器采集到的樣品轉(zhuǎn)移到上升器后，上升器就可以隨時(shí)等待指令起飛了。我們知道，在地球上發(fā)射火箭的時(shí)候，都有一個(gè)發(fā)射塔架，上升器的起飛就相當(dāng)于在月球發(fā)射一枚小火箭，沒有發(fā)射塔架怎么辦呢？其實(shí)，充當(dāng)發(fā)射塔架的就是上升器下面的著陸器。著陸器不但負(fù)責(zé)挖土的工作，而且還要充當(dāng)臨時(shí)發(fā)射架。
上升器體積不大，其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶的燃料有限，幸虧月球表面引力只有地球表面的六分之一，才得以重新返回月球軌道。
2、錯(cuò)過月面起飛窗口要等一個(gè)月
地面控制人員會(huì)根據(jù)著陸器和上升器的位置和姿態(tài)，以及軌道器的實(shí)際飛行軌道，計(jì)算出最佳的月面起飛時(shí)間和方向，使用最節(jié)約燃料的飛行路線去對(duì)接軌道器。
一旦錯(cuò)過起飛的最佳時(shí)機(jī)，就要在月面等待一個(gè)月球日，相當(dāng)于約28個(gè)地球日。由于月球沒有空氣保護(hù)，晝夜溫差很大，白天可高達(dá)127攝氏度，夜晚可低至零下183攝氏度，這么大的溫差很可能會(huì)對(duì)嫦娥五號(hào)上的電子設(shè)備造成損害，影響正常起飛。所以，月面不宜久留，必須把握第一個(gè)窗口抓緊起飛。
嫦娥五號(hào)探測(cè)器總共在月面只待48小時(shí)，這就要求它要在48小時(shí)內(nèi)開展月面鉆探取樣、月面抓取取樣、樣品打包以及準(zhǔn)備月面起飛等工作，真可謂是時(shí)間緊、任務(wù)重！
我們知道，美國通過阿波羅計(jì)劃的六次載人登月，通過人工帶回來381千克的月球巖石和土壤樣品。前蘇聯(lián)則通過3次無人探測(cè)器取回總共330克的樣品。而我們這次要取回至少2千克的月壤樣本，難度還是非常大的。
科學(xué)家對(duì)于取樣的難度早有心理準(zhǔn)備，他們?cè)诘孛嫔线M(jìn)行了各種模擬取樣實(shí)驗(yàn)，最終決定用鉆探取樣和表面抓取取樣兩種形式，分別簡稱為：“鉆取”和“表取”。
圖注：嫦娥五號(hào)鉆取樣品（實(shí)景）
圖注：嫦娥五號(hào)挖取樣品（實(shí)景）
我們來回顧一下這幾天嫦娥五號(hào)探測(cè)器在月面上的時(shí)間線：
圖注：嫦娥五號(hào)降落月面（降落相機(jī)拍攝）
12月1日晚23點(diǎn)許，嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球正面預(yù)選著陸區(qū)，成為我國第三個(gè)成功實(shí)施月面軟著陸的探測(cè)器。成功著陸后，著陸器在地面控制下，正式開始了持續(xù)約2天的月面工作。著陸約一刻鐘后，探測(cè)器展開太陽能帆板，有效載荷開機(jī)。
圖注：嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體著陸后全景相機(jī)環(huán)拍成像
12月2日凌晨1點(diǎn)多，著陸器就開始進(jìn)行鉆取月壤樣本的工作了，約2個(gè)小時(shí)就完成既定取樣任務(wù)，鉆取月壤0.5千克并進(jìn)行了封裝。當(dāng)日凌晨5點(diǎn)多又開始表取1.5千克的月壤工作。
圖注：嫦娥五號(hào)封裝樣品（實(shí)景）
12月2日22點(diǎn)，經(jīng)過約19小時(shí)月面工作，探測(cè)器順利完成月球表面自動(dòng)采樣，并按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中，剩下的時(shí)間就是等待起飛了。
自動(dòng)采樣裝置是嫦娥五號(hào)采樣任務(wù)成敗的關(guān)鍵裝置，它要能夠承受月球白天120多攝氏度的高溫炙烤，還要克服測(cè)控、電源供電能力的約束。
采樣裝置有兩種：一種是鉆取采樣的“電鉆”，這是一種空心鉆，能夠把鉆取的樣本自動(dòng)收集起來，里面的結(jié)構(gòu)還是很復(fù)雜的。據(jù)介紹，這個(gè)電鉆可不簡單，能夠鉆入月球表面之下2米的深度，能夠把月表之下深層樣本取出來，更具科研價(jià)值。
圖注：月球鉆取取樣器（來源：中國空間研究院）
據(jù)悉，這個(gè)空心鉆的電功率達(dá)1000瓦，還是非常大的。為了便于直觀理解，舉一個(gè)例子，我們平時(shí)裝修房屋的時(shí)候，要用到手持電鉆，一般來講這種電鉆的功率才約400瓦的樣子，就已經(jīng)感覺很強(qiáng)悍了；另一種是表面取樣的裝置，外形看起來像鏟子、勺子、筷子模樣的一體機(jī)“神器”機(jī)械臂，同時(shí)具備挖土、鏟土、夾土三種功能，能將月球表面的浮土采集起來。
圖注：月球表面挖取取樣器（來源：中國空間技術(shù)研究院）
取樣后，打包“神器”月球土壤封裝裝置具有自動(dòng)關(guān)閉的蓋子和用于打包密封的封條，可以把機(jī)械臂表采和鉆采機(jī)構(gòu)獲得的月壤同時(shí)打包。在打包的同時(shí)，封條對(duì)土壤進(jìn)行密封，從而保證在返回地球途中不接觸大氣，保證帶回來的土壤純天然無污染。
嫦娥五號(hào)上升器起飛后，并不是直接飛回地球，而是要與軌返組合體對(duì)接，把樣品轉(zhuǎn)移給軌返組合體，后續(xù)讓返回器攜帶樣品返地球。
圖注：嫦娥五號(hào)的上升器和軌道器正準(zhǔn)備月軌交會(huì)對(duì)接的情形（藝術(shù)圖）
按照軌道設(shè)計(jì)，嫦娥五號(hào)上升器月面起飛約一刻鐘后進(jìn)入近月點(diǎn)15千米，遠(yuǎn)月點(diǎn)180公里的橢圓軌道，并展開太陽能帆板進(jìn)行充電。接下來一到兩天的時(shí)間里，上升器還會(huì)進(jìn)行軌道調(diào)整，擇機(jī)與軌返組合體對(duì)接。
文章開頭提到，嫦娥五號(hào)任務(wù)創(chuàng)造了首次地外天體起飛的紀(jì)錄，接下來，還將創(chuàng)造首次月球軌道無人交匯對(duì)接的紀(jì)錄！
這個(gè)問題比較有意思，我們單獨(dú)放在這里講一下。上升器起飛直接返回地球也是可以的，而且這樣無需月軌交匯對(duì)接，反而降低了工程的復(fù)雜度，前蘇聯(lián)的三次月球無人采樣，就是用的這種直接返回地球的方式。
圖注：前蘇聯(lián)的“月球16號(hào)”采樣探測(cè)器月面起飛的情形（藝術(shù)圖）
直接返回方式的缺點(diǎn)也非常明顯，前蘇聯(lián)三次總共取回月壤樣品330克，我們這次一次就能取回2千克。這是為什么呢？這是因?yàn)橹苯臃祷胤绞较喈?dāng)于把上升器、軌道器和返回器打包在了一起，無疑增加了月面降落和起飛的重量，擠占了有效載荷（樣品）的運(yùn)力。前蘇聯(lián)之所以沒有采用咱們這種返回方式，據(jù)說是因?yàn)楫?dāng)時(shí)他們?cè)萝墴o人交匯對(duì)接的技術(shù)還不成熟。
接下來幾天，就讓我們靜靜等待嫦娥五號(hào)上升器與軌返組合體對(duì)接成功并轉(zhuǎn)移月壤樣品的好消息吧。當(dāng)然，最值得期待的還是返回器重返地球，攜帶月壤樣品緩緩降落內(nèi)蒙古大草原的激動(dòng)時(shí)刻。
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