嫦娥六号32马赫俯冲,美国不会,我国已实施两次,载人登月也靠它

寰球科学讲说 2024-06-26 10:22:41

嫦娥六号返回舱的降落地点在内蒙古四子王旗着陆场,着陆时间在25日13:41分-14:41分之间,这是近期披露的信息。远望七号测量船也早已经前往大洋深处对嫦娥六号的状态进行测控。可以说万事俱备,就等返回舱落地了。

那么我们为什么要进行月球探测,为什么在上个世纪美苏在太空争霸中以美国载人登月后就停滞了?

重返月球的意义

1972年,在阿波罗17号载人登月后,美国就宣布停止继续载人登月任务。直到1994年才发射了克莱门汀号月球探测器用于测绘月球目的。探月工程停滞了22年。1976年,苏联完成无人月球采样返回后,直到2023年俄罗斯才发射了月球探测器。

月球上有着储量丰富的氦-3,总量达到了100万吨以上,可以满足人类1万年的能源需求。此外月球处于真空、无磁场状态、低重力等环境,可以成为深空探测的前 哨阵地和转运站。更为有意义的是,各国已经将月球当作了太空战的新军事平台,谁能控制月球谁就控制了太空。

基于月球的重要作用,进入21世纪欸,世界各国又一次掀起了月球探测的高潮,中国、美国、欧空局、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、印度、韩国等都提出要进行月球探测。而给予太空资源谁先开发,谁先利用的原则,中国不能够坐视不理。

新世纪各国掀起探月高潮

我国是从2007年发射了嫦娥一号,标志着我国的月球探测工程正式启动。这距离美苏两国的月球探测计划晚了50年以上。但是在我们近20年的发展中,已经圆满的实现了绕落回三步走的任务,如今嫦娥六号的月背包裹也将到达。回过头看看当初和我们一起立项探月的国家,只有我们在按照计划实施,嫦娥五号2020年12越17日将月球样品带回地球。

相比日本在24年发射了一个月球探测器,直接侧翻在了月球表面,如果非要定义的算是硬着陆成功。

印度的月船1号2008年发射,成功进入了高度100公里的环月轨道,但后来失联。2019年发射月船2号,但着陆月表过程中侧翻。2023年8月,月船3号着陆月表,成为首个在月球南极附近着陆的国家,但一个月后与着陆器失联。

俄罗斯在2023年发射了月球-25月球探测器,在探测器进入月球轨道后失联,后推测是探测器进入了非预先规划的轨道并撞上了月球表面坠毁。

美国的重返月球的阿尔忒尼斯计划,截至目前有43个国家签署协议,但是实现载人登月已经推迟到了25年,按照目前的研发进度,仍然要推迟,月球门户的空间站的建设仍然没有具体计划。

我国20年前制定的探月计划圆满完成,那么新的探月计划启动,就是要建设国际月球科研站和进行载人登月。嫦娥六号是探月四期的第一步,月背南极-艾肯盆地取样。而月球南极将来也是月球科研站和载人登月的首选地点。

嫦娥六号的前世今生

嫦娥六号实际上是嫦娥五号的备份,这个没想到吧,他是和嫦娥五号一起制造出来的。所以在结构和功能上嫦娥六号与嫦娥五号基本是一致的。都是由轨道器、返回器、上升器、着陆器组成。嫦娥五号携带了多种载荷,嫦娥六号也携带了4种载荷。

嫦娥六号与嫦娥五号比较起来,区别较大之处就是采样地点和绕月方式:

采样地点:嫦娥六号要到月背采样,这是人类第一次,且月背南极-艾肯盆地的月壤的研究价值极大。为了满足月背通讯,我国发射了鹊桥二号中继星,鹊桥二号中继星重达1.2吨,能够为嫦娥六号提供长达18个小时的地月通讯,这个大周期的信号通讯,足够嫦娥六号着陆月表、采样、上升器返回月表。

绕月方式:嫦娥五号的绕月方式是顺行,而嫦娥六号的绕月方式是逆行。顺行和逆行之分就是看飞行器的运动方向与月球是否一致。一致则是顺行,不一致则是逆行。那为什么有这样的区别呢?还是与着陆地点有关。

因为阳光一直直射在月球赤道附近,而嫦娥六号的着陆地点由月球的北纬地区变为南纬地区。前文也提到了嫦娥六号使嫦娥五号的备份,设计结构基本一致。如果按照嫦娥五号的方式顺行,就会导致探测器本应朝阳的一侧处于阴影中,而应当处于阴影环境的一侧则处于光照中,从对能源供给、采光等造成影响。更改嫦娥六号的零部件布置则浪费时间和成本,逆行绕月则解决了这一问题。

嫦娥六号的关键一步

当前嫦娥六号已经脱离了月球引力,向地球转移当中。那么我们就要首先了解什么是宇宙速度。宇宙速度分为第一、第二、第三宇宙速度。第一宇宙速度是指能够围绕地球飞行的最小速度。第二宇宙速度是能够脱离地球引力的最小速度。第三宇宙速度是逃离太阳系的最小速度。

那么在嫦娥六号脱离月球引力后,驶向地球过程中,受到地球引力的影响,速度会逐渐增加,在接近大气层时,速度可以达到第二宇宙速度,11.2公里/秒,相当于32马赫。如果以这个速度进入大气层,随着速度越快与大气的产生的摩擦生热越高,返回舱要耐受住3000度以上的高温,这比我国载人飞船从空间站脱离降落地面的速度要快得多。同时需要精准操控才能降落在指定地点。

为了解决这两个问题,半弹道跳跃式返回技术就能够很大程度克服上述问题。在距离嗲面高度约120公里处,返回舱高度进入大气层,滑行一定距离后利用气动升力漂出大气层,随后达到最高点后再次下降,这时返回舱已经完成减速。再次进入大气层后得速度已经远远小于第二宇宙速度。这个时候得返回过程就和神舟飞船相似了。

这种方式不但能够使返回舱得气动加热比减少,同时在执行载人登月返回后,可以有效降低航天员身体承受的过载,使得在返回过程中航天员可以更轻松。在距离地面10公里时,降落伞会打开完成最后的减速和着陆。

嫦娥六号返回器的体积只有载人飞船返回舱的1/7,着陆面积也是载人飞船的16倍,所以对于如何定位返回器是一个大问题。此次嫦娥六号与嫦娥五号不同的是着陆时间在白天,目标相对更容易确定,即便这样也需要重点关注返回器在经过黑障区时的数据,及时预测着陆点。

我们远望七号测量船目前已经行驶在了印度洋深处,其主要目的就是获取嫦娥六号目标,护送返回器成功穿越黑障区。

美国不会,我国已经实施两次

无论是月球的无人采样返回还是载人登月返回,都需要历经最为关键的一步,就是半弹道跳跃式返回,这里需要精准控制切入大气层的角度,返回舱的外层保温也十分的重要。如果切入的角度小,则会被弹出大气层,无法再次进入大气层。如果切入角度过大,则会直接砸下去。对于这种技术我国已经有过两次经验,分别是嫦娥五号再入返回飞行试验器和嫦娥五号。

美国在阿波罗登月返回过程中就是使用的这种返回技术。2022年美国完成了阿尔忒尼斯重返月球计划的第一步,无人绕月飞行测试。猎户座飞船的返回舱着陆在太平洋。可是猎户座飞船的隔热瓦出现了重大问题,这也直接导致美国载人登月计划推迟的原因之一。

猎户座飞船内部空间比阿波罗飞船大2.5倍,最多可容纳6名宇航员。是美国为了重返月球而全新研发的可重复使用的飞船。这里注意美国近几年的太空飞船的关注点都在可重复使用上,比如马斯克的载人飞船和波音的星际客机都是如此。

全新开发,必然应用了现代技术,猎户座的的隔热瓦是由186块的隔热材料组成。目的就是在进入大气层后能够隔绝外界温度,保证航天员的安全。可是在第一次的无人绕月飞行测试后,问题出现了。

上面提到返回舱要经受住2000度以上的高温,可是这次的试验结果是飞船外部隔热材料100多处的材料脱落,部分隔热瓦腐蚀严重。这就说明飞船的隔热性能存在重大问题。改进这个问题需要分析问题发生原因、进行改进和试验。

这里需要提一句的是,无论是我国的神舟飞船或者嫦娥返回器经过数次的实践,是能够耐得住高温。令人不解得是,美国上个世纪的飞船隔热技术哪里去了?既然新技术不可靠,为什么不采用老的呢?

写在最后

随着我国航天科技的不断发展,未来还要逐步实现载人登月、月球科研站建设、地月空间通讯设施建设。这一系列的工程都代表着我国正在实现对于月球资源的开发。

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