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中國嫦娥五號絕殺日本探測器,2020全球航天第一

2020年12月6日凌晨3點,隼鳥二號回收艙降落在澳大利亞南部沙漠地帶,JAXA的工作人員在澳空軍的協助下成功回收了著陸器,而隼鳥二號探測器則在地球附近釋放回收艙后,已經利用剩余燃料轉向探測小行星1998 KY26,預計將于2031年抵達!

JAXA工程師取回探測器返回艙

再過幾天嫦娥五號的月壤樣品也將返回地球,12月全球矚目的航天任務,一個是來自數億千米外的龍宮小行星,還有則是38萬千米外的月球,到底哪個任務更難一些?

隼鳥二號的任務簡介

隼鳥二號的前身是隼鳥號,但兩者無任務關聯性,隼鳥號采樣的是絲川小行星,隼鳥二號的目的地是162173 Ryugu龍宮小行星,它是一顆阿波羅型小行星,遠日點1.415AU,比較靠近火星軌道,近日點0.963AU,它的軌道和地球軌道是交叉的,不過它的軌道傾角是5.88度,所以它不會和地球相撞!

龍宮小行星和探測器的靠近軌跡

隼鳥二號的目標是抵達龍宮小行星,對其觀測與研究,測繪其地形,并選定比較平坦的地點采樣,再在等待返回的時間里對小行星繼續展開科研項目,最后飛離小行星返回地球,整個任務歷時月6年。

任務難點:測控、引力彈弓轉向小行星軌道,伴飛小行星和著陸,采樣和第二宇宙速度返回地球。

嫦娥五號任務簡介

嫦娥五號是中國嫦娥計劃繞落回中的終極任務,采樣返回,目的地是38萬千米外的月球風暴洋北部呂姆克火山附近的月巖,包括月表土壤和月面2米深度下的月巖,嫦娥五號的前身三號和四號分別已經在虹灣和月球南極艾肯特盆地。

采樣成功后飛離月面,與軌道器對接,轉移月壤樣品后返回地球,整個任務歷時月23天。

任務難點:測控、月面著陸、鉆孔采樣、月面起飛,月球軌道對接和轉移樣品,第二宇宙速度返回地球。

嫦娥五號與隼鳥二號,兩者誰更難一些?

就任務性質而言,兩者都是采樣返回,但一個是遠在數億千米外的小行星采樣,一個在月球上采樣,看起來似乎是日本的隼鳥二號更勝一籌,但事實上各有千秋,而且從整體技術水準而言,嫦娥五號碾壓隼鳥二號!

1、運載火箭技術哪家強?

盡管這個任務聽上去數億千米很嚇人,但隼鳥二號而質量只有609千克,因此隼鳥二號的火箭是H-IIA 202型運載火箭也無需太大運載能力,H-IIA的近地軌道大約是15噸,和長征七號的水平差不多!

嫦娥五號的總質量約為8.2噸,長征五號的近地軌道運載能力為25噸,完勝隼鳥二號,H-IIA為氫氧機,長征五號助推器為液氧煤油,芯級也為氫氧機,當然H-IIA作為2001年首發的火箭,而長征五號則是2016年首發,有點勝之不武哈!

2、探測器測控難度相比誰更難?

隼鳥二號和嫦娥五號都需要全球測控網,所以兩者難度起點是一樣的,當然深空大延遲微弱信號,月球的難度還是無法隼鳥二號相比,畢竟距離擺在那里,但JAXA(日本宇航局)可以使用NASA的全球測控網,而我國只能使用自己的測控網,盡管有歐空局提供測控幫助,但即使沒有我國仍然能獨自搞定!

NASA的深空測控網

另一個難度則是深空探測器定位,日本的隼鳥二號不知道用了哪里的甚長基線定位系統,如果沒有用NASA,那么他們用的自己的跨度大約2300千米的干涉系統。

日本口徑2300千米的VERA

這個干涉陣列的口徑不算小,但局限于日本的國土面積,即使用石垣島和小笠原仍然稍顯不足。

中國的深空測控定位系統包括5臺大型射電望遠鏡:1987年建成的上海佘山25m射電望遠鏡、1993年建成的烏魯木齊25m射電望遠鏡、2006年建成的北京密云50m 射電望遠鏡和昆明40m射電望遠鏡,以及2012年建成的上海天馬65 m望遠鏡。

中國的VLBI測控精度在火星軌道距離內已經可以精確定位,所以從兩個深空測控水準上來說,中國不缺乏技術,唯一缺的就是經驗,當然我們的天問火星探測器已經在路上,所有的設備都是咱自己的,未來還會缺經驗嗎?

天問探測器

3、登陸小行星和登陸月球

小行星龍宮的重力加速度極小,難點是控制探測器在著陸過程中不要讓探測器摔得太慘,錯開亂石堆,所以它沒有嫦娥五號登陸月球那么有儀式感,一旦進入下降軌跡,那么只能登陸月球,否則再無第二次機會,而隼鳥二號則不一樣,可以反反復復登陸好幾次,因為龍宮的重力加速度太小了,想走就走,想留就留。

就著陸技術而言,嫦娥五號難度是著陸龍宮的數倍,不過龍宮在于信號延遲太久,但兩者都為自主操作選擇,而龍宮由于在小行星上著陸,人工干預更高,當然也有更多的時間干預,因為隼鳥二號被設計成如果著陸過程中沒有接到后續指令,在某個時間后它會返回伴飛高度等待指令,簡單的說,JAXA的科學家可以“多玩”幾次(保護性設計,未來中國小行星采樣的探測器,應該會參考)。

4、采樣難度

隼鳥二號也有采掘龍宮內部的巖石,嫦娥五號則使用了月面鉆探技術,這個復雜度比隼鳥二號要更高,嫦娥五號的關鍵是如何挖出土壤并準確放置在上升器中,隼鳥二號則是在采樣時不要飄離龍宮小行星,因為這顆小行星的引力實在是太小了。

5、著陸器返回軌道

由于龍宮小行星引力極小,所以隼鳥二號探測器都是整體設計,而嫦娥五號則因為月球引力仍然比較大,所以采用軌道器+返回器和上升器+著陸器的設計,起飛難度極大,而且著陸器必須穩固,否則起飛過程會翻倒。

從這點上來看隼鳥二號根本無法相比,而嫦娥五號的技術,未來還能被借鑒到載人登月上。

6、對接和轉移樣品

這是月球探測樣品返回才有的環節,這個對接需要的精度極高,能在月球上完成對接的國家,中國是老三,這個頗有難度,需要精確的測控以及探測器的軌道定位精度。

7、離子發動機技術

這一點嫦娥五號是不具備的,嫦娥只有軌道器主發動機和3000牛下降減速發動機和150N的軌跡調整發動機,一般這些發動機應該是肼類燃料。

隼鳥號用的就是離子發動機作為深空的加速減速姿態調整等,二號也是,不過其用的應該還是離子推進,而不是霍爾推進,四臺發動機總推力為30毫牛,這個數字很小,但對于探測器返回加速,足夠了!

8、返回地球

返回速度分析,隼鳥二號也是第二宇宙速度返回,盡管不知道其軌跡,但我們可以肯定其用的彈道返回,原因有兩個,其一是隼鳥探測器返回艙結構非常小,無法在大氣層中進行氣動姿態控制以達到水漂彈道返回,當然更重要的是沒必要!

而另一個原因則是我們看到隼鳥二號主飛行器已經轉向去了小行星1998 KY26,這表示它在大氣路徑地球時候卸載了返回艙進入返回軌道,主體已經轉向,這靠近地球的速度就是第二宇宙速度,因此日本的隼鳥二號返回艙必定是第二宇宙速度的彈道返回。

嫦娥五號返回同樣是第二宇宙速度,但它的半彈道,會分成兩段,前半段降低速度到7千米左右,飛出大氣層在拋物線墜回大氣層,再次進入返回軌道,俗稱水漂彈道,它的好處是全程可以在宇航員可以承受的加速度內,所以這個技術未來可以嫁接到載人登月和火星任務返回。

這個技術上,隼鳥二號是沒法比的。

整體上而言,日本隼鳥二號探測器技術水準起點很高,但它無法和月球采樣的難度相比,從8個角度分析,有7個是完勝日本隼鳥二號的,所以不要看隼鳥二號從數億千米外返回,但嫦娥五號難度更高!從今年發射和返回的探測器看,毫無疑問嫦娥五號將拔得2020全球最佳深空探測器頭籌!

嫦娥五號即將返回,接下來最大的看點是火星天問!

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