綜述
自1950年以來,人類懷揣著對於外星球的嚮往,不斷地向太空中發射探測器或者飛船,登陸太陽系的其他行星,地球的天然衛星“月球”更是一度成為人類探索的主要目標。
中國古老的神話傳說當中,就有嫦娥奔月的說法,並且“月”在中國文化當中作為一種特有意象常被用於詩詞當中。不論是象徵對親人的思念還是離鄉的愁思,都足以見得中國人對於月亮的熱衷。
可是冷戰時期我國還沒有航天實力,去和美國、蘇聯一同發射探測器探測月球,更不用說是讓國人登陸月球了。正因我們看見了實實在在的實力差距,所以一直在刻苦努力,希望有一天能讓中國的探測器和宇航員也登上月球。
隨著國家實力的累積,經濟不斷地進步,我國也具備了向月球發射探測器的能力,“嫦娥登月”計劃因此誕生,嫦娥五號的成功發射與返航也標誌著我國的航天科技發展到了一個新高度。
可是有細心的朋友也發現了,出發時雪白明淨的“嫦娥姑娘”在回來時卻被燒的面目全非,這是為啥呢?返回地球的途中它到底經歷了什麼?
接下來讓我們一起走進嫦娥五號的返鄉之路。
各國探月曆史
探月起於冷戰時期的美蘇爭霸,為了證明自己才是世界霸主,美國總統肯尼迪1961年時宣佈美國將把宇航員送上月球,這一計劃被命名為“阿波羅計劃”。
此後的八年時間,美國傾盡了人力物力,花費了近200多億美元,讓阿波羅十一號在1969年順利升空,並將美國宇航員帶上月球,第一次在月球上面留下了人類的足跡。
一直與美國保持競爭的蘇聯在探月方面也不甘示弱,製造的“N1火箭”內裝設了30臺發動機,可謂是相當“硬核”了,不過N1火箭在四次試射中不是升空幾十秒後開始旋轉爆炸了,就是還沒飛出去30臺發動機在空中發生縱向共振之後爆炸,所以蘇聯的載人登月計劃最終以失敗告終。
不過後來也有學者進行分析,蘇聯當時的月球計劃是由兩個相對獨立的部分組成,所以除了N1之外,正在製造的還有3種火箭,可是資金預算相較於美國的200億,大概只有五分之一約40億左右,資金緊缺也是蘇聯登陸月球計劃失敗的主要原因。
也可以說美國將宇航員送上了月球完全是“燒錢”燒出來的,當時的科技距離人類登陸月球其實還差幾十年,但是美國政府為了在冷戰當中拔得頭籌,就花錢把自己的科技向上拔了幾十米,像揠苗助長一樣。
這大概就是1972年之後美國人再也沒有登陸月球,甚至都不發射探測器的主要原因了,畢竟“阿波羅計劃”從經濟效益來看的話是得不償失的。
不過阿波羅計劃帶回來的月壤,分成了許多份作為外交禮物送給各國。在1978年布熱津斯基訪華時也送給了中國一份,雖然只有1g,但是卻點燃了“嫦娥之父”歐陽自遠的探月熱情。
嫦娥系列探月工程
其實早在1994年時,我國的科學家就開始探討中國探月的計劃了,直到2000年的11月時政府發表了《中國的航天》,在這之中明確提到之後的航天工程計劃中有發射探測器前往月球這一項。這是中國人第一次明確,要親自發射探測器去看看月亮。
2004年1月23日,國家宣佈“嫦娥工程”正式啟動,這是我國的一個完整的月球探測計劃,其中的首席工程師正是當年得到那1g月壤樣品進行研究的歐陽自遠院士。
2007年10月24日嫦娥一號衛星成功發射,它的任務是全面拍攝月球影像資料,並且將資料傳回地球,2008年7月1日,它圓滿完成了這項任務。
歐陽自遠在後來的採訪中提到,美蘇之前的探測器發射失敗原因都是探測器並未被月球引力捕獲,所以擦身過去,在外太空流浪了。他們擔心嫦娥一號也會如此,不過最後嫦娥一號不負眾望成功繞月飛行。
有了一個成功的開頭之後,嫦娥二號、三號、四號、五號都相繼飛上了月球,並且創造了許多記錄,比如說嫦娥三號創造了在月球表面工作最久探測器的記錄,嫦娥四號的月球背面軟著陸讓人類第一次看到了月球背面的模樣。
而嫦娥五號的成功發射和返航則實現了中國航天史上的“五個首次”,此外嫦娥五號帶回來的月壤有1731克,這是自1976年前蘇聯的探測器月球24號返航之後,第一個探索月球並返航的探測器,因此此次嫦娥五號的返航可謂是世界矚目。
嫦娥五號的旅行
2020年11月24日4時30分,於眾人期待之下在海南文昌發射場的長征五號火箭搭載著嫦娥五號成功發射,將嫦娥五號探測器送入了地月軌道。
12月1日,經過七天飛行的嫦娥五號成功在月球的呂姆克山脈著陸,並在第二天開啟了自己的“挖土”之路,嫦娥五號肩負著我國探月工程三個步驟“繞、落、回”中的回,可以說任務非常艱鉅。
而這次探月返鄉之旅當然不能空手而歸,所以抓緊時間採集月球土壤也是它的任務之一。
12月3日時它將裝有土壤的上升器送入了軌道之中,到了12月6日,上升器在軌道中與返回艙順利對接,至此嫦娥五號的返回之旅正式開啟。
由於檢測返回降落等因素綜合考究,讓返回艙組合體又進行了6天的繞月旅行,12月13日時成功點火進入月地轉移軌道當中。
新聞報道中都稱這次返回是“打水漂”式的,那是因為嫦娥五號返回中連著兩次進入了大氣層。第一次進入時在距離地面60公里是藉助大氣升力又彈回去了,沒錯就是快到地面時又彈回了太空。
第二次進入大氣層之後才將降落傘開啟,12月17日1時59分時在內蒙古四子王旗著陸場完成著陸。
著陸過後,航天工程師們檢查了返回艙情況以裝有月壤的壓縮罐情況,確認完好無損之後,便開啟了“拆快遞”的工作,最終統計帶回月壤1731克,比當年美國的阿波羅號帶回來的還有四倍還要多一些,至此我國的首次月球取樣並返回任務獲得了圓滿的成功。
不過在新聞報道之下,許多人對於嫦娥五號返回艙的“慘烈”模樣表示了疑惑,畢竟之前也看過載人飛船返回艙的樣子,卻沒有嫦娥五號的這麼嚴重。
新聞畫面中,起飛時雪白的嫦娥五號返回艙已經被燒的焦黑,那模樣讓人不免懷疑裡面的月壤都被烤熟了。那麼它在回來時到底經歷了什麼呢?
返回艙燒焦原因
經常關注航天新聞的讀者們對於宇宙第一速度一定不陌生,這是如今地球向外發射火箭和人造衛星的重要基礎。7.9km/s的速度已經是我們無法去想象的了,但是嫦娥五號回來時穿過大氣層的速度已經接近宇宙第二速度。
這就意味著在這個過程當中它承受了較第一速度幾倍多的重力加速度,遭遇的“熱障”問題也會更加嚴重。
“熱障”是返回艙在返回地球時遇見的一大難題,我們都知道要在降落時將返回艙的速度儘量降低,保證返回艙的安全,但是返回艙的速度降低就會導致返回艙外殼的溫度不斷升高,這就是我們看到嫦娥五號返回艙被燒得焦黑的原因。
許多觀看了電視直播的人會發現,直播中返回艙進入大氣後像一顆火球,看起來是通紅的,那就是因為熱障效應,導致它在返回途中外殼劇烈燃燒。
其實返回艙的外表返回之後是什麼樣子並不是科學家們重視的,最重要的是要保證內部的裝置和攜帶的月壤不被燒壞,所以科學家們想到了一個辦法。
“以毒攻毒”的策略 —— 燒蝕防熱:利用某些耐燒的材料(例如,炭化燒蝕材料)做成蒙在返回器外面的防熱層,它在高溫下會燒蝕掉一部分材料,與此同時也吸收了大量的氣體熱量,這樣內部結構不再承受巨大的加熱。
所以我們看到返回艙回來後黑乎乎的樣子,正是表面防熱層碳化之後的表現。
除了返回時速度高達10.9km/s之外,前文中提到了嫦娥五號的返鄉之旅是“打水漂”式的,它曾經兩次進入大氣層,第一次進入時外殼就已經燃燒過了,在彈回太空中以後,第二次進入外殼再度燃燒。
可以說,之前載人航天的返回艙經歷的“火炙”,嫦娥五號返回艙經歷了兩次,所以它可以平穩著陸已經是萬幸,至於外表燒焦有點醜就不要在意了。
除此之外,“熱障”的好朋友“黑障”也是返回艙返回中的一大難題。
黑障主要是發生在 35-80 千米高程處較為稠密的大氣層。這時返回器周圍的空氣溫度達到數千度,其中的分子發生了電離,成為了自由電子和正離子集合體。
返回艙中的儀器將失靈,與地面指揮中心的聯絡也會中斷,使得無法獲得它的準確著陸位置。嫦娥五號返回艙也經歷了將近3分半鐘的黑障,這時的它外殼還在燃著火焰,內部也是一片黑暗,如果能夠表達心聲的話,它也會很害怕吧。
五個首次
嫦娥五號的順利返航實現了我國航天的五個首次。
分別是首次在月面自動取樣、首次從月面起飛、首次在38萬千米外月球軌道上完成無人交會對接、首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球、首次建立我國月球樣品的儲存分析和研究系統。
這不僅代表著我國自1958年以來數代航天人的夢想達成,也標誌著我國的航天深空探索科技到達了一個全新高度。
這之後,許多國家向我國拋來橄欖枝,尋求太空合作,對於月壤的成分研究成果他們也表示十分好奇。
結語
嫦娥五號的返鄉之路可以說是困難重重了,不過它還是克服了困難成功回到了家鄉。透過本文大家應該也瞭解到了它外殼焦黑的原因,以及返回地球途中經歷的事情,非常驕傲“嫦娥姑娘”完成了這項艱鉅的任務。
同時也要感謝以歐陽自遠為首的嫦娥探月工程的各位航天工程家,是他們的辛苦付出讓我們得以看到中國航天器成功登陸月球並順利返航!