日本能去小行星采样,为何不能登陆月球?核心技术十七年无法攻克

如题所述

第1个回答  2022-07-06

近日,嫦娥五号上升器与轨返组合体完成了人类有史以来第一次月球轨道自动交会对接壮举,并在随后半小时内实现了月壤样品容器的在轨转移与封装。巧合的是,就在嫦娥五号两器对接前两个多小时日本隼鸟二号小行星探测器返回舱也成功着陆于澳大利亚南部沙漠地区。

两个航天大事件发生在同一天是近年来少有的盛况,与以往不同隼鸟二号的成功返回并没有在我们这里掀起多大波澜,不过仍然有小部分群体坚守着过去的思想钢印。 比如这种论调:日本 科技 实力不是吹的,本次探测器飞行了52亿公里!准确找到并登陆小行星,比登月更难……

这种基于幻想与人为加工的论调曾长期大行其道,然而随着大众综合科学素养的提升,类似言论已经很难有多大市场。

且不论这个52亿公里数据的准确与否,要知道在宇宙空间中计算里程唯一的价值就是刺激观感, 真正有指标性意义的数据不是探测器飞行里程,而是距离

那么登陆小行星是否比登月更难呢?

日本小行星探测计划始于本世纪初2003年发射的隼鸟号,该探测器目的地是距离地球约0.7亿公里的丝川小行星,旨在采集小行星样本返回地球。

隼鸟号发射入轨不到4个月就出现离子推进系统故障,在接近丝川小行星时又出现姿控发动机故障,在尝试触碰小行星的过程中又出现燃料泄漏问题,在返回地球过程中由于前述问题的存在也是几经曲折,好在地面测控团队给力返回舱最终成功着陆于澳大利亚预设着陆区。

令人遗憾的是打开返回舱后科学家仅用显微镜观测到一些物质微粒,因为样本量过少,已经不能用克来计算,而只能用更小的重量单位“毫克”。不过, 隼鸟号遭遇的一系列挫折也为隼鸟二号的成功奠定了基础

隼鸟二号基本继承了隼鸟号平台,等于是后者的强化版,具体而言就是哪里不足补哪里:

隼鸟号在轨期间曾多次遭遇通信中断问题,为此隼鸟二号采用双天线配置,一部是X频段一部是ka频段,冗余备份能力更强,同时也能让收发数据更高效。

吸取隼鸟号多次失联教训,隼鸟二号的恒星敏感器也由一台增加至两台,进一步增强空间位置信息感知能力。

用于定点着陆服务水平位置测量的标记球数量也由3个增加至5个。

隼鸟二号的采样探测目标是距离地球约3.4亿公里的龙宫小行星,一看到这个数据有些人可能会不太淡定,不用急着惊讶,要知道我国天问一号即将登陆的火星,那里距离地球最远也有4亿公里。

隼鸟二号动力系统采用增强推力的4台离子推力器,以及12台使用化学燃料的姿控发动机,具有较强的冗余配置,一台离子推力器失效或者个别姿控发动机失效也能保证任务的持续推进。

日本小行星探测的一个特色就是旨在采集小行星深部样本,为此隼鸟二号携带了一枚金属弹丸,这是一种利用爆轰效应加速弹丸撞击小行星的装置。

隼鸟二号总计实施了两次采集任务,第一次是采集小行星表面物质,第二次则瞄准金属弹丸撞击坑采集深部物质。

用于样本采集的是一种“杆-触”式采集器,当它接触小行星表面时会发射一枚钽质弹丸,进而搅动小行星表面物质,这些物质会进入采样杆顶部的采集容器中。整个采样过程只持续一秒左右时间,类似于蜻蜓点水,采样杆接触小行星表面,紧接着姿控发动机就会点火将隼鸟二号推离龙宫小行星。

话说小行星表面崎岖不平,隼鸟二号是如何控制下降弹道的呢?首先它会用光学设备成像,再将图像信息回传地球,尔后地面团队遴选出着陆点,再之后隼鸟二号朝着陆点发射标记球,待标记球抵达小行星表面后,隼鸟二号基于标记球信号实施着陆行动。

隼鸟二号任务前后历时6年时间,返回舱也成功抵御第二宇宙速度再入地球大气产生的3000摄氏度高温烧蚀,并完成回收。整体来看要比隼鸟号成功得多,当然最终获取了多少样本还得看最后的开舱结果。

在了解隼鸟二号任务的基础上,我们再来看看小行星探测与登月任务相比究竟谁更难?更直白点说, 隼鸟二号对比嫦娥五号谁的难度更大?要分析这个问题,首先要回答日本为什么中止了月球探测。

日本其实早在1991年就成功部署了一颗名为飞天号的月球环绕探测器,成为全球第三个具备环月探测能力的国家,后来又先于嫦娥一号发射月亮女神环月卫星。当时日本非常豪迈地宣布这是继阿波罗登月之后最大规模的月球探测计划,然而话音还没落太久局面就发生了逆转。

令人诧异的是,自月亮女神之后日本就再没有实施过任何一次月球探测任务,这是为什么呢?

日本又何尝不想像我们嫦娥探月工程那样一次又一次地成功登月,他们也有旨在实施登月行动的“月球-A计划”, 期望1995年就能发射月球登陆器,结果到了2007年登月器在历时十七年研制后仍然没有成功

原因是 诸多技术难关无法攻克,逼得日本宇宙航空研究开发机构自己提出报告要求计划终止 ,最终日本文部科学省宇宙开发委员会同意了这个报告。

月球软着陆任务存在多个技术难点,首先是动力难关,比如隼鸟二号的动力系统可以触碰引力微弱的小行星,但无论如何也登陆不了月球。

登陆月球需要具有大范围推力调节能力的变推力发动机 ,助力嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号连续三次100%成功登月的是我国航天 科技 六院自主研制的7500N变推力发动机,其推力变比为6.87比1,能在1200N至7500N之间进行推力调节,研制期间累计进行517次点火试车,累计试车时间66200秒,前后历时十年锻造成功,仅此一项就是日本难以逾越的难关。

隼鸟二号与嫦娥五号相比本就不是一个量级,前者发射质量仅有0.6吨,后者则是8.25吨,悬殊相差13倍有余,诚然二者探测目标不同,而单纯就技术复杂度而言同样悬殊。

隼鸟二号具备的能力嫦娥五号大部分都具备,隼鸟二号不具备的能力嫦娥五号照样具备。 例如,隼鸟二号返回舱再入地球时需要抵御三千摄氏度高温烧蚀,嫦娥五号返回舱再入返回地球时也要承受相同量级的热流烧蚀。

再入返回弹道隼鸟二号是中规中矩的弹道式再入返回,防热烧蚀材料重量比例明显更大,如此一来就导致减速伞需要承受更高的过载,为此他们不得不加入一个抛掉返回舱外壳的流程设计,进而降低减速伞的过载压力。

反观嫦娥五号则应用了居于世界领先水平的“ 高速半弹道跳跃式再入返回弹道 ”,返回舱第一次再入大气承受一段3000摄氏度高温烧蚀,当抵达60公里左右高度时利用弓形激波原理再度反弹回宇宙空间,尔后二次再入,此时返回舱经历的热流烧蚀环境要弱的多,与神舟飞船无异。

如此设计的好处是可以尽可能降低防热材料使用比例,增大返回舱内部空间,用于采样返回时可以多装货,嫦娥五号一次任务的月壤采集量就是苏联三次采样总量的6倍有余,此技术用于载人月球任务时可以容纳更多的航天员,同时更大的内部空间可以改善航天员在轨生活保障水平。

再入过程中嫦娥五号还应用了 全球独创的基于自适应预测制导技术的导航装置 ,极大程度提升了落点命中精度。例如,应用同款技术的我国新一代载人飞船试验船返回舱就实现了10.8环的高精度落点成绩。

嫦娥五号执行登月任务时的自主控制难度更高,整个动力下降航程有数百公里,应用了惯性导航测量单元、激光测距测速敏感器、微波测距测速敏感器、光学成像避障敏感器、激光三维成像敏感器等一系列居于世界领先水平的测量敏感器, 全程自主无任何地面干预,自主选择着陆区,自主确定着陆点。

与之相比隼鸟二号的技术复杂度显然更低,它需要将成像信息回传地球,并由地面人员确定着陆点。

隼鸟二号虽然有多次分离操作但并不触及最高难度的深空轨道自动交会对接技术,而目前放眼全球只有嫦娥五号具备这一能力。

嫦娥五号应用的百公里级自主交会微波雷达,不仅能发挥导引作用,而且具备两器双向通信功能,可以在深空对接任务中全程使用直至两器接近至最后末端距离。在交会对接的末段还有导引精度更高的新一代激光交会对接雷达,多项世界领先技术的应用,是保障嫦娥五号顺利完成人类首次深空轨道自动交会对接任务的基石。

基于深空轨道自动交会对接装置的 在轨样品转移封装技术更是我国独家拥有 ,这两项技术可以直接移植到下一次火星采样返回任务,而这又将是一个史诗级的人类首次。

仅次于深空轨道自动交会对接的 月面上升同样是世界级工程难题 ,嫦娥五号也一并掌握,这是一种脱离地外星球引力的发射技术,而小行星微弱的引力环境无法与之相提并论。

地外星球火箭发射要克服陌生空间环境、测控条件差、发射场保障条件差等一系列难题,要求发射载具有高度的自主信息获取与控制能力, 历史 上曾经具备这一能力的国家有两个,而现在放眼全球却只有我们一家。

发展航天测控先行,没有强大的测控能力犹如海上舰队没有补给舰是走不远的,尤其是深空航天任务由于距离遥远加上地球自转因素需要全球布站才能实现,日本限于狭长的国土本身就是先天劣势,隼鸟二号任务除本土两座测控站外,协调了NASA、欧空局在内的多个站点。

反观 我国依托嫦娥探月工程的实施已经建成布局全球的深空测控网 ,喀什、佳木斯、萨帕拉构成了覆盖全球90%测控弧段的深空测控网,与此同时我们又在非洲、中亚等地部署有相关测控站点,共同构成了更为绵密的测控网络。

目前我国深空测控网已经具备触达太阳系边际空间的测控能力,例如佳木斯站66米口径天线,就曾先后于2015年、2016年、2017年多次截获飞掠冥王星的新地平线号以及坠入土星的卡西尼号回传信号,放眼全球独立拥有这一能力的玩家除了大洋彼岸就是我们,而这同样是日本难以企及的高度。

最后再提一下隼鸟二号看似很高大上的离子推进系统,其单台最大推力仅29.66毫牛,而我国实践-20号卫星应用的LIPS-300离子推力器单台推力则是它将近7倍。

嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1、嫦娥四号五次任务全部成功,为什么我们可以五战五捷?发展航天归根结底要有 强大的工程能力。

嫦娥探月工程的选择是“ 向技术高地发起正面攻坚 ”,而不是东一榔头西一棒子,这才有了环月飞行、地月直接转移、月面软着陆、月球背面复杂地形软着陆、高速半弹道跳跃式再入返回、月面上升、月球轨道自动交会对接与样品转移等一系列工程技术的突破。

与嫦娥探月工程齐名的载人航天工程同样如此,基于系列神舟飞船与天宫系列空间实验室、天舟货运飞船任务的完胜战绩,我们掌握了载人航天、多人多天、空间手动与自动交会对接、载人中期驻留、燃料在轨补加等一系列工程技术,具备建造大型空间站的技术实力与装备条件,这又是一个日本航天难以企及的战略项目。

你若盛开,蝴蝶自来,目前已经有越来越多的航天实体登门寻求合作机会。 有了工程实力就等于手中有了生力军,意味着我们想做什么任务就可以具备什么样的能力。

多年前在NASA测控网支持下印度曼加里安号火星卫星的发射让不少人心里不如意,然而当我们具备全套工程技术之后是什么样的局面?

天问一号作为人类有史以来向火星发射入轨的最大吨位探测器,一次发射就能实现对火星的“绕、落、巡”探测, 不仅在工程能力与技术性能上形成对曼加里安号的双重碾压,更是一步跨过NASA半世纪探火历程,这是何等的发展加速度?

下一次火星任务的实施我们将立力争实现人类首次火星采样返回,某些航天项目的一时空白,不代表我们没有能力去做,而是要抓住主要矛盾不断向纵深突破。

以天问一号火星探测器为开端,我国已经启动深空探测重大专项,航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰披露,到2024年左右我们将发射小行星探测器。

这将是一次为期十年的太空流浪之旅,该探测器首先对编号为2016HO3的小行星进行环绕与着陆采样探测,尔后返回地球分离携带小行星样品容器的返回舱,之后探测器主体将先后借力地球、火星进行引力加速,飞向位于火星与木星之间的小行星带,并在那里对主带彗星133P进行环绕探测。

2016HO3将是人类探测器造访的最小质量小行星,在小行星探测任务中质量越小难度越大,实施着陆采样的难度就更大,主带彗星的环绕探测同样是人类首次。

目前小行星探测器已经对外发布搭载机遇公告,在完成主体任务的同时留有0.2吨的余量用于合作搭载,仅合作机遇搭载的重量就接近隼鸟二号整个探测器的三分之一,那么这个探测器的整体规模将有多大是可以想象的。

与此同时我们仍将在月球探测与开发领域持续向纵深突破, 在发射小行星探测器的同一时期还有针对月球南极地区进行陆空联合探测的嫦娥七号探测器 ,这又将是人类月球探测的新里程碑。

我们只用思考一个问题,放眼全球同步大规模实施载人航天、月球探测、火星探测等一系列重大航天工程的国家有几个?

看看这张十五年前的旧报纸截图,会认识的更透彻:

截图右侧里的那些玩家,曾经哪一个不是信心满满,哪一个不是雄心勃勃,最终他们在面对难题难关时有的选择逃避,有的半途而废,有的受限于各种力量的掣肘而不得不走走又停停,唯一向探月难题难关发起正面攻坚且持续至今的只有中国航天。

一次又一次的生动实践告诉我们这才是不忘初心,这才是可持续发展!

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