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去月球挖土有多难?从50年前的苏联月球采样活动说起……

来源:科技导报

撰文:李成智(北京航空航天大学教授)

2020年11月24日凌晨4时30分,在海南省文昌卫星发射中心,“长征五号”运载火箭搭载“嫦娥五号”发射升空,火箭飞行约2200秒后,探测器顺利进入预定轨道,开启登月之旅。

在此次任务中,嫦娥五号将完成“绕、落、回”三步走的无人月球探测规划的最后一步——采集约2kg月球岩石、土壤样本并返回地球。

而人类上一次在月球取样,则要追溯到上世纪70年代。44年前苏联的发射月球24号,是最后一个送回月球表面样本的探测器。

这场起源于美苏争霸的“太空竞赛”中,苏联的月球采样技术有何特点?取得了哪些成果呢?

20世纪50年代末至70年代初,苏联和美国展开了一场旷日持久的“太空竞赛”,竞赛的内容涉及航天领域的各个方面,包括发射人造卫星、发射月球及行星探测器以及开展载人航天活动。

“太空竞赛”客观上推动了航天技术向纵深方向发展。其中,探月是两国竞赛的一个重要领域。

20世纪50年代末期

月球探测尝试阶段

最早尝试月球探测的是美国空军

1958年8月到12日,美国共发射了四个先驱者号探测器。

第一个探测器在发射到16千米高时,运载火箭发生爆炸,探测器也粉身碎骨。尝试遭到彻底失败。

后来发射的另外3个探测器都达到了相当的高度,例如10月11日发射的先驱者2号,已经达到距地球近11万4千公里的高度。

但由于运载火箭的能力不足,未能将探测器加速到第二宇宙速度,因此最终这几个探测器都落回了地面。

苏联的月球探测尝试比美国成功得多

1959年1月2日,苏联发射了月球1号探测器,取得了很大成功。它到达了离月球只有5000千米的地方。

这个直径1米的球形探测器测量了月球和地球的磁场、宇宙线的强度、太阳辐射、以及星际分子等数据。

9月26日,月球1号探测器进入日心轨道,成为第一颗人造行星。

9月26日,苏联发射的月球2号探测器取得了极大的成功。它是第一个击中月球的人造物体,在撞到月面之前,向地球发回了有关月球磁场和辐射带的重要资料。

1959年10月4日发射的月球3号探测器则第一次观察到月球神秘的背面,并拍摄到月球背面约70%的面积。

虽然由于探测器的性能不理想而使得到的资料质量不高,但它毕竟第一次看到了月球的背面,其意义是十分重大的。这再一次大大提高了苏联航天技术的声望。

美国开始时运气一直不佳

1959年至1960年间,美国相继发射了4个先进的先驱者号探测器。

它们装有太阳能作动力的桨轮,配备了肼燃料小型火箭发动机,用以制动以便进入月球轨道。这些探测器采用推力更大的宇宙神/阿贝尔运载火箭。

但这种火箭表现欠佳,不是在试验车时发生爆炸,就是在发射过程中出现各种故障,把这几个造价昂贵的月球探测器全给报销了。

20世纪60年代初期

实现探测器在月球表面软着陆

20世纪60年代初,苏美太空竞赛的一个重要项目是实现探测器在月球表面软着陆。

1961年到1962年,美国发射了5颗新的徘徊者号探测器

这种探测器是美国进行空间探测器标准性设计的初步尝试。

5颗徘徊者号探测器只有徘徊者4号击中月球,没有发回任何有用的数据。其它的都因火箭问题而失败。有一次是速度过大而错过了进入月球的机会。

经过大量的改进,并进一步提高可靠性之后,1964年1月30日发射的徘徊者6号在开始阶段取得了很大成功。

它成功地击中月球并且在落月前一直工作正常,但后来没有发回一张图片。

事后分析表明,由于在发射过程中,它曾受到电弧的影响,损坏了电视摄像装置,所以它虽然落在了月球上,却不能对月球表面进行拍摄。

美国发射的徘徊者系列探测器中,徘徊者7号表现出色。它于1964年7月28日发射。

这个探测器几乎进行了重新设计,每个零部件都进行了改进和可靠性审查。

它不但成功地到达了月球表面,而且在击中月球之前,发回了4300张精细清晰的月面电视照片,它在离月面1600米处拍摄的最后一张照片的分辨率高达0.4米。

尔后,美国又发射了徘徊者8号和9号探测器,也取得了高度成功,拍摄的照片为登月选择预定点作出了出色贡献。

在月面上软着陆也是苏美竞赛的重要内容

从1963年开始,苏联尝试发射了10个探测器,都没有获得成功。

1966年1月31日,苏联发射的月球9号终于首次在月面上实现软着陆。

它的着陆方式很独特:在火箭充分降低飞行速度后,月球9号开始登陆。当撞杆触地时,仪器舱即分离开。为了保证它呈预定的姿态,以便摄像机等正常工作,它的底部很重,在滚动的过程中,这个仪器舱类似于一个不倒翁,可以使之呈直立姿态。

在4天的工作寿命期间,月球9号探测器发回大量关于月球的资料,包括着陆周围的全景图。

1966年3月31日发射的月球10号成为第一个人造月球卫星。它重1600千克,运行在350×1017公里的轨道上,对月球及周围环境进行了长时间的观测,获得了大量宝贵的科学资料。

这两个探测器为苏联的再一次领先立下了功劳。

20世纪60年代后期

开始研制自动月球采样飞行器

20世纪60年代美国宇航局最主要的任务的实施阿波罗登月计划。

苏联也曾经实施过登月计划,但由于登月火箭N-1研制过程中遇到重重困难,难以赶上美国的步伐。因此,苏联计划研制自动月球采样飞行器,希望赶在美国阿波罗11号登月前自动取回月球样品。

为此,苏联在月球系列探测器中,研制了第三代月球探测器。由于探测器质量较大,因此采用大型运载火箭质子-K号发射。

苏联发射卫星等航天器都有一个命名规则:航天发射成功后才有一个正式命名。

我们看到月球探测器1号、2号、3号以及9号等,实际上都是发射后才得到这些名称的。如果发射失败,一般就不正式命名了,而是以代号来称呼或编入宇宙系列航天器之中。这一策略使人们感觉苏联发射航天器的成功率很高。

质子号火箭是20世纪60年代中期研制的大型运载火箭,曾广泛用于空间站、大型月球探测器及火箭探测器的发射。

由于研制初期问题很多,因此发射的月球采样探测器曾遭遇一系列失败。

20世纪70年代

你追我赶的月球采样计划

1969年6月,由于美国正大张旗鼓地准备实施阿波罗11号登月任务,苏联为抢在美国之前先行取得月球土壤样品,于1969年6月14日发射了第一颗自动月球采样飞行器,内部编号E-8-5No.402。由于火箭上面级发动机未能点火,探测器未能离开地球。

1969年7月13日,苏联再次发射月球采样飞行器——月球15号,同样遭到失败。探测器虽然到达了月球附近,但在下降月球过程中发生故障,直接撞上月面,采样任务再次失败。

1969年9月23日,苏联发射宇宙300,也是一颗月球采样探测器。同样由于运载火箭上面级问题,该探测器只进入了低地球轨道,未能飞向月球。

1969年10月22日,苏联发射宇宙305探测器,也只是进入了低地球轨道。

1970年2月6日,苏联第五次发射月球采样探测器(内部编号E-8-5No.405),还是由于火箭发射故障,探测器连地球轨道都未能进入。

直到1970年9月12日,苏联第六次尝试发射采样探测器,才首次取得成功,月球16号终于到达月球并取回101克月球土壤样品。

此时,美国已经两次登月成功,取回的月球岩石和土壤样品56千克,远远超过苏联月球16号取回的样品。

月球16号取得的成就仍然值得称赞,它是人类首个在月球上自动采样并返回地球的探测器。

整个探测器高约4米,底部直径约4米,发射质量约5800千克。探测器由下降级与上升级组成。

下降级重1880千克,位于探测器下部,负责采集月球样品、与地球进行无线电联络、提供电能,同时也可作为上升级的发射平台。

下降级的最下方是制动发动机,负责减速和着陆;游标发动机负责飞行过程中修正轨道;4个对称分布的圆柱形推进剂贮箱为发动机提供燃料;无线电高度表用于测试水平速度、垂直速度及辐射;月球样品采集装置中装有钻臂与空心钻管,钻管内装有探测器,可以感知月岩或月壤的阻力以确定钻速,并且可以自动避开月球岩石。

其他分系统还有导航与控制系统、温度控制系统、无线电接收与发射系统、化学电池和4个可伸缩的缓冲着陆支架等。

上升级位于探测器上部,负责把装有月球样品的返回舱送回地球。

上升级包括提供动力的发动机喷管、3个球形推进剂贮箱、装有导航设备和化学电池的柱形仪器舱,以及位于仪器舱上方的球形返回舱。

球形返回舱直径约50厘米,质量为36千克,其下部是电池和信号发射装置,中部是装有钻管和月壤的样品舱,顶部为降落伞和下降天线。

返回舱外表面有热防护层,防护层的外层是石棉酚醛塑料,内层是玻璃纤维蜂窝填料,正面部分最厚达35毫米,背面只有几毫米。

回收舱用金属紧固带与仪器舱顶部连接,它在再入大气层前根据地面的指令与火箭分离。

月球16号到达月球轨道后,整个探测器全面下降到月面上。

由于探测器很重,利用火箭发动机反推减速下降需要消耗大量推进剂,上升级返回地球时也需要消耗很多推进剂,因此它能够采样并带回地月球土壤样品很少。

月球16号软着陆和采样返回过程如下:

①发射进入地球轨道:

月球16号于1970年9月12日由质子-K号火箭发射升空,首先进入远地点241千米、近地点185千米、倾角51.5°的近地轨道。

②地月转移飞行:

月球16号进入地球轨道70分钟后,开始向月球方向加速并达到第二宇宙速度。惯性飞行1天后,探测器主发动机点火6.4秒,完成常规航向校正。

③进入月球轨道:

9月17日,月球16号启动推进系统,进入高110千米、倾角70°的初始月球圆轨道。

9月18日和19日,探测器进行了2次轨道机动:首先,月球16号转移到远月点110千米、近月点15千米的椭圆轨道;然后,将探测器轨道调整到倾角61°、远月点106千米的月球环绕轨道。

④月球软着陆:

月球16号在9月20日接近近月点,制动发动机启动6分钟后关闭,下降级在高度2米时,以每秒2.4米的速度在月面实现软着陆,着陆点位于月球南纬0°41‘、东经56°18’的富海东北部区域。

⑤月面采样操作:

月球16着陆后约1小时,自动钻孔机开始钻入月球表面提取月壤样品,样品质量为101克。7分钟后,钻孔机在距月表35厘米处停止。接着,仪器被收回,样品被封装于返回舱内。

⑥月面起飞:

在月面停留26小时25分后,9月21日07:43,月球16号上升级以下降级为平台从月面起飞,开始为期3天的返回地球的旅程。

⑦返回地球并降落:

9月24日05:25,月球16号采样探测器返回舱在哈萨克斯坦杰兹卡兹甘东南80千米处打开降落伞,08:25返回舱安全着陆。

月球16号自动采样取得成功,引起世界广泛关注。采集的样品也成为收藏者竞相收藏的宝贝。1993年,月球16号采集的大约0.2克的月球样品在苏富比拍卖行拍出44.24万美元的高价值。

1971年到1976年,苏联又发射了5颗月球号采样探测器执行月球自动采样任务,但只有2次取得成功。

1972年2月14日发射的月球20号探测器于2月21日成功地在月球福海地球软着陆成功,降落地点是月球北纬4°、东经56°30’,距离月球16号着陆点160千米。

此次任务共采集月球样品55克,主要是月球岩石颗粒。返回舱于2月25日成功返回地球并回收。落点位于哈萨克斯坦。

1976年8月9日,苏联发射月球24号成功完成了自动采样任务,它降落在此前未曾涉足的月球危海区域,降落点为北纬12°15’、东经62°12’。

月球24号与月球16号和20号不同,它采集的是月球表面深度为2米的样品,共计170克。

1976年8月22日,月球24的返回舱与上升级分离,进入地球大气层。

在距地面15千米处,打开降落伞,伸展天线,返回舱降落在新西伯利亚苏尔古特城东南200千米处。

总计苏联共发射了11颗月球自动采样探测器,只有3颗取得了成功,共采集月球土壤样品326克。

8次失败中有5次是因为运载火箭故障,有2次是因为探测器故障未能实现在月面软着陆,有1次是探测器(月球23号)到达月面后倾覆,无法执行采样任务。

月球16号等3个自动采样探测器取得的成功,是苏联深空探测活动的重要里程碑事件。

尽管取得的成就无法与美国的阿波罗载人登月计划相比,但该计划证明苏联完全具备了无人自动月球采样的技术能力。

无人月球采样可以少花钱,办大事,而且不会危及人的安全。从这个意义上讲,苏联的自动月球采样计划是成功的,为人类深入开展月球科学研究提供了新的方案。

参考文献

[1] 计都。苏联无人采样返回任务取得巨大成就。国际太空,2011(1):20-22

[2] 顾诵芬,史超礼,李成智等。世界航天发展史。郑州:河南科学技术出版社,2000。

[3] 吴伟仁主编。奔向月球。北京:中国宇航出版社,2007。

[4] 刘林宗等编著。探月的故事。北京:中国宇航出版社,2008。

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