5月3日下午,长征五号遥八运载火箭从文昌发射场腾空而起,将嫦娥六号探测器送上了预定轨道。这是长征五号火箭第二次执行探月任务,在2020年,长征五号也曾经发射了一个探测器前往月球,那就是嫦娥五号探测器。嫦娥五号探测器在成功登月后采集到了月球表面的样本,然后从月球表面起飞,带着样本返回地球。
嫦娥五号、嫦娥六号这样的探测器出征月球,需要有长征五号这样的大型火箭才能发射升空送上地月转移轨道,我国其他现役的火箭都做不到这一点。长征五号火箭是我国现役最强的火箭,全箭总长接近57米,起飞质量大约为869吨,可以将大约25吨的载荷送上近地轨道,或者将14吨的载荷送上地球同步轨道。
此前的天问一号、天和号核心舱、问天实验舱、梦天实验舱以及一些大型的通信技术试验卫星都是用长征五号来执行发射任务的。
在2022年11月16日,美国用一枚新研制的太空发射系统运载火箭发射了一艘不载人的猎户座飞船进行绕月飞行测试,这艘不载人的猎户座飞船在飞行了25.5天后,在2022年12月11日顺利返回地球,在墨西哥下加利福尼亚州附近的太平洋溅落,当时这艘飞船从月球轨道返回地球再入大气层时,经受高达5000华氏度(2760摄氏度)高温的灼烧。
不管是嫦娥五号探测器、嫦娥六号探测器,还是美国的猎户座飞船,在地球发射升空前往月球时都离不开大推力的运载火箭,其中我们这两个探测器都是使用长征五号火箭,而美国的猎户座飞船使用的是运载能力更大的太空发射系统火箭。在月球上,并没有这样的大推力火箭,那登月飞船、探测器是怎么从月球表面起飞返回地球的?
探测器怎么从月球返回地球
从地球出发,需要大推力的火箭,但是从月球表面起飞根本就不需要用到这么大的火箭,这是怎么回事?
地球的第一宇宙速度速度是7.9公里每秒,第二宇宙速度(也就是逃逸速度)是11.2公里每秒,而月球的逃逸速度小得多,大约只需要2.38公里每秒即可。为什么会有这么大的差异,其中就在于地球的质量远大于月球的质量。在地面我们跳跃不会很远,但是登月宇航员在月球表面轻轻一跃就能跳得老远,就是这一个原因。
由于月球的质量相对较小,逃逸速度也小得多,理论上只需要达到2.38公里每秒就能摆脱月球引力,飞离月球了。虽然月球逃逸速度比较小,但是也需要有一定的推力才能从月球表面起飞,那登月探测器、飞船是怎么离开月球的呢?我们以嫦娥五号探测器登月过程为例。
嫦娥五号探测器轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,总重量达到8.2吨,由于尺寸、重量都比较大,想要接近地球的逃逸速度,就需要用到长征五号这样大推力的火箭才行,我国现役的其他火箭都达不到要求。下面是嫦娥五号任务的大致过程:
第一步、长征五号遥五运载火箭发射升空,将嫦娥五号探测器组合体发射升空,并将其送上了地月转移轨道。在飞往月球的过程中,嫦娥二号探测器完成了多次轨道修正后进入环绕月球飞行的轨道,成为环绕月球飞行的航天器。
第二步、在环绕月球飞行过程中,不断调整飞行轨道,把椭圆形环月轨道变为接近圆形的环月轨道,择机实施登月。
第三步、嫦娥五号探测器进行分离,释放着陆器、上升器组合体,这个组合体将会进行登月,而轨道器、返回器组合体则留在月球轨道环绕月球飞行,等待上升器把月球样本送回月球轨道。
第四步、着陆器、上升器组合体在合适的时机进行登月,降落到月球表面,在这个过程中,着陆器的发动机会启动给组合体提供向上的推力,让组合体的速度逐渐下降,然后实现登月。在抵达月球表面后,就开始在月球表面采集样本,并将月球样本封存起来。
第五步、完成样本采集后,上升器就会启动自身携带的发动机从月球表面起飞,而着陆器则充当发射平台的作用。由于从月球采集的样本不是很多,而且上升器的重量也不是很大,再加上月球的质量比较小,引力比较小,所以上升器的发动机不需要太大的推力就可以从月球表面起飞了。
第六步、上升器带着样本进入环月轨道,与之前已经在月球轨道飞行的轨道器、返回器组合体进行月球轨道交会对接,并移交月球样本。在完成样本的移交后,上升器从轨道器、返回器组合体撤离,然后受控降落到月球表面。而轨道器、返回器组合体则继续环绕月球飞行,等待时机然后从月球轨道加速返回地球。
第七步、轨道器、返回器组合体带着样本朝着地球飞回来,回到地球附近后,释放返回器,让返回器带着样本重返地球。在进入大气层过程中,返回器的速度相当快,所以气动加热效应很强烈,外部温度接近3000℃,返回器外表也因此被烧得黑不溜秋。最终,返回器经过一系列的操作后降落到着陆场。
嫦娥五号探测器登月、月面起飞、月球轨道返回地球等过程,和当年阿波罗登月的过程其实是非常相似的,不管是现在的探测器登月返回地球,还是阿波罗登月返回地球,月球表面都没有另外的发射场、火箭,都是依靠自身携带的发动机从月球表面起飞。
之所以不需要大推力的火箭从月球表面起飞,原因其实很简单的,一方面就是月球引力很小,第一宇宙速度、逃逸速度都相对较小,另一方面就是从月球表面起飞的飞船、探测器本身也不重,不需要太大的推力就能从月球表面起飞进入月球轨道了。
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