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嫦娥五號登月為何比阿波羅陷得深?差距明顯,跨越時代的技術(shù)鴻溝

阿波羅11號,登月時間:1969年7月20日協(xié)調(diào)世界時20:17:43

航天員:指令長尼爾·阿姆斯特朗、指令艙駕駛員邁克爾·科林斯、登月艙駕駛員巴茲·奧爾德林

登陸地點(diǎn):月球正面寧靜海南部

月表停留時間:21小時36分20秒

LRO衛(wèi)星阿波羅12號登月遺址成像

阿波羅12號,登月時間:1969年11月19日協(xié)調(diào)世界時06:54:35

航天員:指令長皮特·康拉德、指令艙駕駛員阿爾弗萊德·沃爾登、登月艙駕駛員詹姆斯·艾爾文

登陸地點(diǎn):月球正面風(fēng)暴洋南部

月表停留時間:31小時31分鐘11.6秒(上海電視臺對此次行動進(jìn)行了錄播)

LRO衛(wèi)星阿波羅14號登月遺址成像

阿波羅14號,登月時間:1971年2月5日協(xié)調(diào)世界時09:18:11

航天員:指令長艾倫·謝潑德、指令艙駕駛員斯圖爾特·羅薩、登月艙駕駛員艾德加·米切爾

登陸地點(diǎn):月球正面弗拉·毛羅高地

月表停留時間:33小時30分鐘29秒

LRO衛(wèi)星阿波羅15號登月遺址成像

阿波羅15號,登月時間:1971年7月30日協(xié)調(diào)世界時22:16:29

航天員:指令長大衛(wèi)·斯科特、指令艙駕駛員阿爾弗萊德·沃爾登、登月艙駕駛員詹姆斯·艾爾文

登陸地點(diǎn):月球正面雨海

月表停留時間:66小時54分鐘53.9秒

自此次任務(wù)開始阿波羅月球車開始加入進(jìn)來,從衛(wèi)星照片中可以很容易辨認(rèn)出月球車車轍。

LRO衛(wèi)星阿波羅16號登月遺址成像

阿波羅16號,登月時間:1972年4月21日協(xié)調(diào)世界時02:23:35

航天員:指令長約翰·楊、指令艙駕駛員肯·馬丁利、登月艙駕駛員查爾斯·杜克

登陸地點(diǎn):月球正面笛卡爾環(huán)形山

月表停留時間:71小時2分鐘13秒

LRO衛(wèi)星阿波羅17號登月遺址成像

阿波羅17號,登月時間:1972年12月11日協(xié)調(diào)世界時19:54:57

航天員:指令長尤金·塞爾南、指令艙駕駛員羅納德·埃萬斯、登月艙駕駛員哈里森·施密特

登陸地點(diǎn):月球正面陶拉斯-利特羅山谷

月表停留時間:74小時59分鐘40秒

除了LRO衛(wèi)星,我國嫦娥二號在距離月面100公里處使用CCD立體相機(jī)拍攝的阿波羅著陸區(qū)照片中,也可識別出登月遺址

LRO衛(wèi)星搭載的窄視場相機(jī)

LRO衛(wèi)星之所以能夠?qū)Φ窃逻z址進(jìn)行成像工作,有賴于該星搭載的LROC窄視場相機(jī),它能夠提供5公里成像幅寬范圍內(nèi)0.5米級高分辨率遙感照片

此類相機(jī)對于我國而言也早已不是什么新鮮事物,例如,高景一號商業(yè)遙感衛(wèi)星搭載的高分相機(jī)比LRO成像分辨率還要高得多,既然地球上的汽車都能辨識,在月球自然也不在話下。

高景一號在530公里高度對汽車目標(biāo)成像

月球還有相當(dāng)于地球更有利的成像條件,首先是軌道高度更低,LRO衛(wèi)星可以在距離月面50公里高度成像,即便將探測器壓低至15公里高度也沒有問題,對于地球而言低于150公里就面臨再入風(fēng)險。再就是月球無大氣環(huán)境干擾,地球則是相反。

不少人質(zhì)疑,在人類發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星僅11年后,大洋彼岸的NASA憑什么就有載人登月技術(shù)實(shí)力,這是對人類初入宇宙歷史認(rèn)知的誤差。在那一時期不僅僅是載人登月,還有水星、金星、火星、木星、土星等天體都在那一時期實(shí)施了探測任務(wù)。

1960年10月10日嘗試發(fā)射的火星1A/B探測器(蘇聯(lián))

包括飛向太陽系邊際的旅行者2號也在阿波羅登月工程之后不久便發(fā)射升空,這些都可以看作是人類之于太空初出茅廬的好奇與沖動,而且在那一時期太空除了用于國防用途,就只剩下展示科技成就的價值。

LRO衛(wèi)星除了利用成像照片粉碎質(zhì)疑阿波羅造假言論,也曾多次拍攝我國嫦娥登月器。本月初嫦娥五號著上組合體剛登陸月球不久,LRO衛(wèi)星就過頂對其成像,此前嫦娥三號、嫦娥四號也都曾被拍到。

LRO衛(wèi)星對嫦娥五號成像

為什么巔峰高地要用這么長的篇幅為阿波羅登月工程說話?因?yàn)?strong>大國自信無需建立在污蔑言論基礎(chǔ)之上,在新世紀(jì)太空競賽中贏也要贏的堂堂正正。

此前筆者曾發(fā)布《嫦娥五號反超阿波羅登月,大言不慚還是言之鑿鑿?人類進(jìn)步的必然》一文,用翔實(shí)的事實(shí)證明嫦娥五號登月技術(shù)的先進(jìn)性,那么前文所述二者落月痕跡差異的事實(shí)又怎么理解呢?我們可以從二者落月時序中感受時代的進(jìn)步。

嫦娥系列探測器登月時序

阿波羅登月艙與嫦娥五號著上組合體都是從距離月面15公里高度進(jìn)入主減速段行程,此段行程反推發(fā)動機(jī)將以接近最大推力工況運(yùn)行數(shù)分鐘,當(dāng)?shù)竭_(dá)距離月面約3公里時二者都不約而同地選擇這一高度點(diǎn)作為正式著陸行程的起點(diǎn)高度

進(jìn)入著陸行程后阿波羅登月艙與嫦娥五號著上組合體都將逐漸調(diào)整水平姿態(tài),使得探測器垂直于月面。

著陸段是整個登月任務(wù)中風(fēng)險最高的階段,同時也是體現(xiàn)技術(shù)差異的階段。

嫦娥五號配置的激光測速敏感器

嫦娥五號著上組合體應(yīng)用的導(dǎo)航手段更加豐富,慣性導(dǎo)航測量單元、微波測距測速敏感器、激光測距測速敏感器共同導(dǎo)引探測器始終處于正確的軌道之上。

阿波羅登月艙只有微波測距測速裝置,且測量精度對比半個世紀(jì)后的當(dāng)下顯然有著數(shù)量級差距,直到阿波羅14號才應(yīng)用第一代慣性導(dǎo)航測量裝置。

阿波羅登月艙配置的早期著陸雷達(dá)(微波測距測速)

作為嫦娥探月工程的第三次登月任務(wù)嫦娥五號著上組合體在全球范圍內(nèi)率先應(yīng)用了激光測速敏感器,這是一種利用激光回波原理進(jìn)行測速的敏感器。落月任務(wù)的再次成功標(biāo)志著該敏感器實(shí)現(xiàn)國際首次在地外天體軟著陸階段使用激光多普勒測速技術(shù)進(jìn)行三個正交方向速度測量。

進(jìn)入著陸段初期嫦娥五號著上組合體使用光學(xué)敏感器進(jìn)行粗避障,遴選著陸區(qū),而此時阿波羅飛船則是航天員人工選擇著陸區(qū)。

嫦娥系列配置的激光三維成像敏感器

進(jìn)入著陸段后嫦娥五號著上組合體與阿波羅登月艙都會調(diào)低主減速發(fā)動機(jī)推力,進(jìn)入緩速下降段。

嫦娥五號著上組合體抵達(dá)距離月面100米高度時進(jìn)入懸停段,此一階段探測器啟用激光三維成像敏感器,它可以在1秒時間內(nèi)獲取著陸區(qū)三維圖像,并在2秒時間內(nèi)識別障礙物確定最終著陸點(diǎn)

與之對比,阿波羅11號登月艙則是在更低的2米高度懸停,且懸停時間更長,這是為什么呢?

因?yàn)樵旅婀庹辗瓷渎蚀螅教靻T肉眼難以在更高的高度準(zhǔn)確識別障礙物,只能通過降低懸停高度的方法識別,更低的高度也有更大的副作用,那就是反推發(fā)動機(jī)羽流吹拂月面產(chǎn)生的月塵會嚴(yán)重降低能見度,因此又不得不延長懸停時間用于肉眼確定著陸點(diǎn)。

阿波羅11號下降級羽流吹起的大量月塵

嫦娥五號著上組合體在百米高度懸停,月塵影響要小得多,加上激光三維成像敏感器有著遠(yuǎn)高于人眼的識別效率。

當(dāng)兩器(嫦娥五號、阿波羅登月艙)進(jìn)入著陸段末段行程時都要面臨最后的緩沖著陸難題,此一階段要求發(fā)動機(jī)能夠準(zhǔn)時關(guān)機(jī),否則殘余推力會帶來傾覆著陸器的風(fēng)險。

前文提到阿波羅11號是著陸后關(guān)閉主發(fā)動機(jī),這與他們的設(shè)計初衷是相違背的,與當(dāng)時相對落后的關(guān)機(jī)敏感器配置有關(guān)。我們可以看到在阿波羅登月艙著陸足墊底部有延伸出來的桿狀裝置,這其實(shí)是一種觸桿式敏感器,長度約1.7米,當(dāng)它接觸月面后會生成關(guān)機(jī)指令。

著陸足墊底部配有觸桿敏感器

鑒于阿波羅11號長時間懸停帶來的月塵視覺干擾,自阿波羅12號開始登月艙就不再懸停,且關(guān)機(jī)時間更早,在距離月面1.5米高度時就關(guān)閉主發(fā)動機(jī)進(jìn)而以自由落體方式接觸月面(仍然無法剔除月塵視覺干擾)。

嫦娥五號應(yīng)用的則是非接觸式關(guān)機(jī)敏感器“伽馬關(guān)機(jī)敏感器”,當(dāng)探測器降落至距離月面2米至3米高度時它可以接收回波信號進(jìn)而生成關(guān)機(jī)指令。

嫦娥五號著上組合體配有非接觸式關(guān)機(jī)敏感器

自由落體仍將產(chǎn)生較大的重力勢能,嫦娥五號著上組合體選擇了與阿波羅登月艙相似的“四著陸腿+懸臂梁”著陸支架設(shè)計,不同的是,基于技術(shù)的進(jìn)步嫦娥五號著陸腿應(yīng)用的緩沖材料性能更為優(yōu)異。

嫦娥五號主著陸腿緩沖器內(nèi)配置有鋁質(zhì)蜂窩緩沖材料,著陸能量通過壓緊蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),輔助緩沖器則應(yīng)用了具有世界領(lǐng)先水平的高效吸能合金拉桿,該拉桿具有優(yōu)異的拉伸性能,1米長拉桿最長可以拉伸至2米,通過拉伸運(yùn)動吸收著陸緩沖能量。

高效吸能合金拉桿(圖為嫦娥四號)

基于時代的進(jìn)步嫦娥五號必然擁有一系列超越阿波羅飛船的系列先進(jìn)技術(shù),巨大的時間差也意味著這種對比是勝之不武的,然而嫦娥三號、四號、五號連續(xù)三次成功登月應(yīng)用的自主避障技術(shù)即便是放眼當(dāng)下的世界也仍然是唯一

我們看到大洋彼岸在過去數(shù)十年時間里一直是人類探索宇宙的絕對主力,但這是建立在近百年積累的強(qiáng)大國力基礎(chǔ)上的實(shí)力外溢效應(yīng),而實(shí)際上他們在面對技術(shù)難關(guān)時通常選擇的是逃避策略。

氣囊著陸只適用于小型載荷

探路者號、勇氣號、機(jī)遇號三輛火星車使用氣囊著陸規(guī)避自主避障需求,然而氣囊著陸大大限制了著陸重量,更大規(guī)模的好奇號與毅力號使用的是基于遙感圖像的相對導(dǎo)航手段,這仍然是逃避策略。

本世紀(jì)初NASA也曾下大力氣開發(fā)基于激光成像的自主避障技術(shù),但隨著旨在載人重返月球的星座計劃下馬最終也是無疾而終。

就在他們走走停停的過程中我們迎來了一個又一個地外天體登陸技術(shù)的突破,也正因?yàn)橛写思夹g(shù)基礎(chǔ),我們才敢于在第一次獨(dú)立探火的天問一號任務(wù)中就沖擊最高難度科目,一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對火星的“繞、落、巡”探測。

奔向火星途中的天問一號(實(shí)拍)

嫦娥五號任務(wù)的完全勝利還將大大加速我國載人月球工程的發(fā)展進(jìn)程,今年旨在服務(wù)載人登月工程的新一代載人飛船試驗(yàn)船已經(jīng)成功實(shí)施首飛任務(wù),新型倒錐體大噸位返回艙成功經(jīng)受近3000攝氏度熱流燒蝕考驗(yàn),并以高速半彈道跳躍式軌道再入返回地球,同時打出了10.8環(huán)的高精度落點(diǎn)成績,嫦娥五號返回艙也將應(yīng)用同款彈道再入返回地球。

全自主全自動居于世界領(lǐng)先地位的登月控制技術(shù)、月地軌道返回技術(shù),加上新一代載人飛船,在通往載人月球探測目標(biāo)的道路上我們已經(jīng)攻克大部分技術(shù)難關(guān),服務(wù)載人月球探測的921新一代重型載人火箭也已經(jīng)駛?cè)肟燔嚨馈?/p>

921重型載人火箭箭體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件

YF-100K泵后擺液氧煤油發(fā)動機(jī)已實(shí)施多次長程熱試車,七機(jī)并聯(lián)輔以5米級直徑共底貯箱的高效傳力箭體已經(jīng)完成試制,并通過載荷靜力試驗(yàn),該型火箭可以將70噸載荷送往近地軌道,地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)25噸。

921新一代重型載人火箭與大洋彼岸旨在服務(wù)重返月球計劃的SLS載人版火箭處于同一等級,太平洋兩岸目前都立足于兩枚重型火箭連射方案實(shí)現(xiàn)載人月球探測

YF-100K泵后擺液氧煤油發(fā)動機(jī)試車

本月3日,嫦娥五號上升器實(shí)施月面起飛任務(wù)之際,航天科技集團(tuán)董事長吳燕生親臨現(xiàn)場指導(dǎo)工作,他當(dāng)即表態(tài)說道,中國人獨(dú)立自主完成載人登月、建立月球空間站,甚至走向更為深遠(yuǎn)的太空將不再是夢

服務(wù)載人登月工程的新一代載人飛船試驗(yàn)船

放在20年前誰也不會想到有一天我們可以如此毫無遮掩地提出載人登月,而從那時起我們的航天人也早已立下這一志愿,在他們久久為功數(shù)十年后,我國航天毫無疑問將成為登臨航天技術(shù)巔峰高地的極少數(shù)玩家,而這一切離不開每一位國人拼搏奮斗積累的強(qiáng)大國力。

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