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33马赫太空“弹跳” 嫦娥六号返航全球瞩目

2024-07-05 04:03:13大公报 作者:刘凝哲
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  图:6月25日14时7分,嫦娥六号返回器携带来自月背的月球样品安全着陆在内蒙古四子王旗预定区域,探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功。\新华社

  中国嫦娥六号日前圆满完成人类首次月背取样返回任务,来自月背南极─艾特肯盆地的1935.3克“最古老”月壤,已安然“躺”在位于国家天文台的实验室中,等待科学家们利用它们发现月球乃至太阳系的新秘密。

  近期,嫦娥六号在返回阶段上演的“太空水漂”亦引发各界关注。专家表示,嫦娥六号采用的“半弹道跳跃式返回”,也就是说,返回器在第一次以近第二宇宙速度(约33马赫,时速超4万公里)进入大气层后,要经历从一步步接近地球到一点点远离地球并穿出大气层的过程,就像打了一个水漂,随后返回器速度将降至第一宇宙速度(约23马赫)以下,从而精准着陆地球,过程中跨越大西洋和印度洋上空,举世瞩目。

  6月25日13时41分许,嫦娥六号返回器在距地面高度约120公里处,以接近第二宇宙速度高速在大约大西洋上空第一次进入地球大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器在大约印度洋上空向上跳出大气层,到达最高点后开始滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。这一过程俗称“太空打水漂”,标准术语为“半弹道跳跃式返回”。

  十年磨一剑 嫦五嫦六精准降落

  如果是在标准音速下,1马赫相当于每小时约1224公里。为何要“太空打水漂”式返回?专家介绍,嫦娥六号返回器从月球飞向地球速度非常快,返回过程必须减速。这样设计,目的是利用数千公里大气层的阻力和与大气摩擦产生的热量快速消耗返回器的能量,使其再次穿出大气层时速度已经降到第一宇宙速度以下,不再具备环绕地球飞行的条件而第二次进入大气层。

  事实上,这已经是中国第三次进行“太空水漂”的高难度操作。“太空水漂”所采用的核心技术拥有一个长长的专业名字:全数字全系数自适应预测校正制导技术,是月球采样返回任务的关键技术。为了验证该项技术,中国曾在2014年专门发射了月地高速再入返回飞行试验器并取得了圆满成功。2020年12月,嫦娥五号任务是第二次采用该项技术,将中国首批月球样品带回。今年嫦娥六号月背自主采样返回任务的成功,则再次验证了该项技术的强适应性、高精准度和高稳定性。

  飞跃“黑障” 雷达测量护航

  无论是嫦娥探测器的返回器还是神舟飞船的返回舱,在返回地球着陆阶段都要遭遇“黑障区”。在嫦娥六号任务中,返回器在返回大气层时速度高达每秒7公里到11公里,因高速剧烈摩擦,返回器表面形成高温等离子气体层,并对电磁波造成屏蔽形成“黑障”,导致通信中断,返回器暂时失去联系。应对挑战,中国科研人员研制出多部测量雷达担负了返回区首点截获、“黑障”区连续跟踪等任务,精准“看”到返回器在太空中的飞行轨迹,助力返回器成功穿越“黑障”区。

  目前,嫦娥六号已圆满完成任务。大约半年后,其带回的人类首批月背土壤,有望接受科学家申请,助力人类研究月球以及太阳系演化等问题。嫦娥六号任务总设计师胡浩表示,嫦娥六号采用智能快速采样技术,实际工作效率相较嫦娥五号提升30%左右。在返回器着陆精度方面,嫦娥六号返回器的落点预报精度十几米、开伞点精度200多米、落地精度16公里,高质量完成回家最后一步。嫦娥六号搭载了四台国际载荷,提升了中国在月球探测领域的国际影响力。

  一图看懂嫦六如何揽月归

图:一图看懂嫦六如何揽月归

  减速

  返回器在距地面高度约120公里处,以接近第二宇宙速度(约11.2公里/秒)高速在大约大西洋上空第一次进入地球大气层,实施初次气动减速。当下降至预定高度后,返回器在大约印度洋上空跳出大气层,到达最高点后滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。

  降温

  在减速过程中,嫦娥六号返回器面临摩擦带来的极端高温。嫦娥六号返回器采用的是一种蜂窝结构的防热层,里面填充了耐烧蚀材料。在高温下,这种材料能够有效隔绝热流,像是给返回器穿上了一件防热服。

  黑障

  航天器在高速进入大气层时,周围会产生电离现象,形成一个等离子气体层,航天器和地面的通信联系中断,这个区间就是黑障区。虽说只有几分钟时间,却是归途上最让人揪心的一段路。

  开伞

  在降至距地面约20公里高度时,返回器转入开伞姿态。在降至距地面约10公里高度时,返回器打开降落伞,以两级减速的方式,绽放两次“红白伞花”,完成最后减速并保持姿态稳定,随后准确在预定区域平稳着陆。

  2045年前中国要在月亮上安个家

图:国际月球科研站构想图

  第一步

  基本型建设阶段

  节点:2035年前

  重心:以月球南极为核心

  建设:建成功能基本齐备、要素基本配套的综合科学设施

  第二步

  拓展型建设阶段

  节点:2045年前

  重心:以月球轨道站为枢纽

  建设:建成功能完善、相当规模、稳定运行的设备设施

  1 探索更遥远的太空

  •对于月球水来源的探究,有助于建立人类月球驿站,成为前往火星的跳板。

  2 可转化为火箭燃料

  •从月球冰层中提取的水可转化为燃料,给采用液氢和液氧作为燃料的火箭补给。

  3 维持月球基地运作

  •月球基地位置很大程度上取决于水源位置。对月球土壤直接开采进行提炼,保障月球基地资源供应。

  4 经处理可供人饮用

  •月球上的水和地球上的水不同,需要特殊处理,才可以变成能喝的水。

  话你知 | 世上最快飞行器能飞多快?

图:美国X-43(无人机)。

  美国X-43(无人机)速度可达9.8马赫,美国自1996年以来一直在研究X-43的相关技术。最终创造出时速1.15万公里的新飞行速度纪录,由美国东岸至西岸只需飞半个小时。而地球赤道周长为40000公里,也就是说环绕地球飞行仅需3个多小时。

  中国首获核聚变能源含量参数 研月球开发

  2022年9月9日,国家航天局、国家原子能机构联合在京发布,中国科学家首次在月球上发现新矿物,命名为“嫦娥石”。

  发布会上还公布了中核集团其他两项月球样品研究成果:一是中国首次成功获得嫦娥五号月壤中未来聚变能源资源氦-3的含量及提取参数条件,为月球资源评价和开发提供了基础科学数据;二是系统研究并获得了月壤颗粒的典型形貌特征,为研究月壤形成提供了科学依据。

  中核集团透露,这次研究,是核与航天跨行业、跨专业合作的一次有力探索。月球研究是重要的基础前沿科学研究。开展月壤与月岩样品的物质成分与核科学研究,评价月球核能资源利用前景,是中国探月工程的科学战略目标之一,核科学技术的应用在其中起到了重要的推动作用。

  据介绍,中核集团对月球样品的研究可以追溯到40多年前。1978年,美国送给中国1克月壤样品,中核集团原子能院测定了样品中36种元素含量。自中国探月工程实施以来,中核集团一直积极准备月壤样品的分析,先后对模拟月壤、月球陨石等进行活化分析实验,针对定量过程中的铀裂变干扰、快中子阈反应干扰、量值溯源和传递、质控等进行了多年实验研究,为月壤分析积累宝贵经验。

  月球科研站建设 中国欢迎全球加入

  随着工程不断推进,中国在国际月球科研站建设方面的“探月小伙伴”越来越多,不久前举行的中国航天日大会期间,国际月球科研站就新增尼加拉瓜、亚太空间合作组织、阿拉伯天文学和空间科学联盟3个合作国家、机构。

  中国探月工程总设计师、实验室主任兼首席科学家吴伟仁院士早前透露,国际月球科研站项目中,中国已与俄罗斯、南非、阿塞拜疆、巴基斯坦、埃及、泰国等10多个国家和国际组织签署了合作文件,并与法国洛林大学、意大利国家核物理研究所、美国国际月球天文台协会等20多个国外科研机构签署了相关合作协议。

  在中国过往的深空探测任务中已具备良好的国际合作基础,包括科学载荷搭载合作、深空测控支持合作、月球样品联合研究等。吴伟仁表示,在未来的国际科研站项目中,中国将力争打造“五五五工程”,即欢迎五十个国家、五百家国际科研机构和五千名海外科研人员加入项目。

  他强调,在国际月球科研站建设过程中,将充分考虑各参与国的意愿、能力与自身条件,可以开展联合论证、任务级、系统级联合研制和人才培养等多方面多层次国际合作,包括建设国际协同设计与验证平台、国际数据共享平台、人才培养联盟和国际合作交流中心等。“欢迎世界各国参与到国际月球科研站这一造福全人类的伟大科学工程中来,携手一道共同建设实施,共享科研成果,为和平探索利用外空、增进人类福祉、服务人类文明进步作出更大的贡献”,吴伟仁说。

  33马赫是什么概念?

  嫦娥六号 33马赫

  马赫数,即物体速度与音速的比值,通常用于描述飞行器的速度。马赫数小于1称为亚音速,大于5被称为超高音速。嫦娥六号采用“半弹道跳跃式返回”,返回器以近第二宇宙速度(约33马赫)进入大气层,就像打了一个水漂。

  爱国者导弹拦截速度 5马赫

  2000年,PAC-3 MIM-104F爱国者-3型导弹开始服役,该导弹最大速度为5马赫。

  歼-20 2.2马赫

  歼-20是一款具备高隐身性、高态势感知、高机动性等能力的隐形第五代制空战斗机,解放军研制的最新一代双发重型隐形战斗机。据中航工业公布的数据,歼-20的最高飞行速度为2.2马赫。

  协和号客机 2.2马赫

  协和号客机是一款由法国和英国联合研制的中程超音速客机,主要用于执行从伦敦希思罗机场(英国航空)和巴黎戴高乐国际机场(法国航空)往返于纽约甘迺迪国际机场的跨大西洋定期航线,最大速度达2.2马赫,该机型2003年“退役”。

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