Обзор космического аппарата Chang'e 5. Spaceflight101.
Chang'e 5 — это первая в Китае миссия по возврату образцов лунного грунта и самое амбициозное мероприятие в лунной программе страны, направленное на внедрение совершенно новых технологий и методов, таких как полностью автоматизированная стыковка на лунной орбите и передача образцов между различными модулями космического корабля. По состоянию на 2014 год Chang'e 5 планировалось запустить в 2017 году с последующей миссией Chang'e 6, запланированной на два года позже.
Космический корабль Chang'e 5 состоит из четырех модулей — служебного модуля, возвращаемого аппарата, посадочного модуля и взлетного аппарата. В целом космический корабль будет иметь стартовую массу около восьми метрических тонн, что потребует более крупной ракеты-носителя, чем в предыдущих миссиях. Ожидается, что Chang'e 5 и 6 будут запущены на ракете Long March 5, которая доставит корабль по прямой траектории к Луне.
Сервисный модуль Chang'e 5 включает в себя все системы для поддержки аппарата на пути к Луне, для пребывания на лунной орбите в течение длительного периода времени, пока выполняются операции на Луне, для встречи с взлетным кораблем на орбите и для поддержки возвращения во время перелета обратно на Землю, подготовка к повторному входу в атмосферу.
Сервисный модуль оборудован солнечными батареями, вырабатывающими энергию, системами связи для передачи команд по восходящей линии связи с Земли и нисходящей телеметрической системой, а также двигательной установкой и двигателями ориентации. Вероятно, основанный на силовой установке, уже использовавшейся на Chang'e 3, будет использоваться гиперголическое топливо, потребляемое дроссельным двигателем (вероятно, двигатель тягой 7,5 кН, используемый на Chang'e 3). Двигательная установка сервисного модуля будет использоваться для выполнения маневров по коррекции траектории на пути к Луне, выведения на лунную орбиту, поддержания орбиты и выведения к Земле в конце миссии.
Сервисный модуль напрямую взаимодействует с возвращаемым модулем, который устанавливается в полости сервисного модуля, чтобы уменьшить общую длину аппарата.
Возвращаемый модуль очень напоминает капсулу «Шэньчжоу» в уменьшенном масштабе. Он оснащен модифицированным тепловым экраном, который способен выдержать повторный вход в атмосферу Земли на скорости 11 километров в секунду. Посадка осуществляется с помощью парашютов, которые раскрываются во время полета в атмосфере, начиная со стабилизирующего, за которым следует основной парашют. Возвращающийся аппарат включает в себя систему подруливающего устройства для активного управления его ориентацией перед возвращением в атмосферу и изменения траектории повторного входа, регулируя аэродинамическую подъемную силу для выхода на посадочную зону разумного размера. Бортовые системы измерения и радиомаяки для определения местоположения приземлившегося транспортного аппарат также являются его частью.
Посадочный модуль Chang'e 5 по своей конструкции идентичен посадочному модулю Chang'e 3, успешно продемонстрированному в 2013 году, за очевидным исключением оборудования для транспортных средств и оборудования для взятия проб с поверхности, которые не были протестированы Chang'e 3.
Посадочный модуль имеет сухую массу более одной метрической тонны и массу топлива до 3800 килограммов. Четыре основные посадочные стойки установлены на посадочном модуле с использованием консольной конструкции с бамперами и внутренними буферными элементами в основных стойках и многофункциональными вспомогательными стойками, которые сопрягаются с нижней панелью посадочного модуля. Ноги должны будут обеспечить достаточно мягкую посадку после того, как главный двигатель будет отключен примерно в четырех метрах над лунной поверхностью.
Двигательная установка также будет аналогична той, что используется на Chang'e 3, и состоит из главного двигателя, дросселирующего от 1,5 до 7,5 килоньютон для проведения единственного включения для непрерывной посадки. Управление ориентацией обеспечивается 28 двигателями, с уровнем тяги 10N и 150N для управления по трем осям во время орбитального полета и посадки. Питание осуществляется двумя солнечными батареями, которые можно открывать и закрывать по команде. Навигация будет обеспечиваться инерционной платформой наведения, системой лазерной локации, высотомером и камерой оптического спуска.
Взлетный аппарат находится на верхней палубе посадочного модуля с использованием структурных креплений, фиксирующих его во время орбитального полета, посадки и наземной миссии. Центральный интерфейс между посадочным модулем и восходящим транспортным средством прикреплен к верхней части транспортного средства с помощью рычага, который можно перемещать в сторону, чтобы освободить путь для запуска транспортного средства с верхней палубы посадочного модуля.
Этот интерфейс включает в себя электрические интерфейсы и интерфейсы передачи данных, поскольку взлетный аппарат оставит свои две солнечные панели в сложенном состоянии для полета на Луну и наземной миссии. Интерфейс также упрощает механизм передачи образца.
Согласно информации, опубликованной в китайских газетах, Chang'e 5 будет использовать роботизированный манипулятор с четырьмя степенями свободы для сбора образцов реголита и небольших камней, которые роботизированным манипулятором доставляется во взлетный блок. Концевой эффектор рычага включает в себя совок для сбора образцов, систему обработки образцов, использующую механизмы вибрации и разделения, которые гарантируют, что несколько отдельных образцов могут быть получены без контакта друг с другом. Весь конечный эффектор, содержащий образцы, может быть отделен от руки для передачи во взлетный модуль.
Кроме того, спускаемый аппарат включает в себя оборудование для колонкового бурения и пробойный механизм, который будет собирать один или несколько образцов грунта в виде неповрежденного керна на глубину до двух метров с использованием ударно-вращательного бурового механизма. Буровой керн доставляется к взлетному модулю внутри кевларовой трубы, которая обеспечивает достаточную стабильность для защиты керна, но при этом достаточно гибкая, чтобы его можно было сжать в размерах для передачи на взлетный аппарат.
Стартовый двигатель включает в себя главную силовую установку, построенную вокруг центрального главного двигателя, который запускается для отрыва от лунной поверхности, выводя образцы обратно на лунную орбиту для связи со служебным модулем — кораблем возврата с использованием датчиков встречи, разработанных для «Шэньчжоу», включая лазерные дальномеры и оптические датчики.
Стыковка осуществляется с помощью стыковочного механизма клешневого типа. На активной стороне три когтя (разнесенных на 120 °) закрываются при контакте с пассивной стороной системы, которая включает распорки, которые должны быть захвачены когтями, чтобы создать прочную связь между взлетным модулем и возвращающимся транспортным модулем. Затем образцы переносятся в возвратный модуль с помощью роботизированной системы, характеристики которой в настоящее время неизвестны.
После завершения передачи образцов взлетный блок отделяется, так что служебный модуль может вывести аппарат с орбиты Луны и доставить возвращаемый аппарат обратно на Землю.
Профиль миссии Chang'e 5
Chang'e 5 массой восемь тонн выполнит сложную миссию, состоящую из одиннадцати различных фаз и конфигураций космического корабля. Запуск ракеты-носителя будет осуществлен с помощью ракеты Long March 5, которая стартует с космодрома Вэньчан. Доставленный на окололунную траекторию, служебный модуль будет выполнять корректировочные маневры, необходимые для создания соответствующих условий для вывода на лунную орбиту через пять дней после запуска.
Сервисный модуль будет отвечать за вывод на круговую орбиту вокруг Луны на высоте 200 км (вероятно, будет использоваться полярная орбита, аналогичная Chang'e 3). На этой орбите спускаемый аппарат c возвратным модулем отделится от сервисного модуля в результате однократного разделения, вероятно, с использованием пиротехники. Посадочный модуль будет использовать свою собственную двигательную установку, чтобы опустить перицентр до 15 километров высотой перед посадкой, при этом местоположение периселена будет тщательно расположено на линии с местом посадки.
Посадка состоится в начале лунного дня (продолжительностью 14 земных суток).
Посадочный модуль совершит один непрерывный заход на посадку, используя свой главный двигатель, который активно снижает скорость во время прилунения. 700-секундная последовательность посадки начинается с замедления, при котором машина уменьшает высоту с 15 до 2 километров с переходом к быстрой последовательности регулировки для перехода от горизонтального полета к вертикальному снижению.
Грубое уклонение от препятствий завершается до устранения горизонтальной скорости, настройка сегмента парения на 100 метров для получения изображения и уклонения от мелких препятствий с последующим снижением с постоянной скоростью. На высоте четырех метров посадочный модуль выключит двигатель и упадет на поверхность.
Вероятно, цель миссии — завершить все операции по отбору проб и бурению в течение одного лунного дня, чтобы избежать риска повреждения оборудования в результате резких температур лунной ночи. После отбора проб и передачи до 2 килограммов лунного материала на взлетный аппарат все приготовления к обратному путешествию будут завершены.
Затем взлетный аппарат будет использовать свою двигательную установку для подъема на орбиту 15 на 180 километров, дальнейшего подъема на орбиту и завершения полностью автономной стыковки с сервисным модулем — возвращаемым аппаратом.
Передача образцов на возвращаемый аппарат осуществляется на лунной орбите до того, как взлетный блок отстыкуется для свободного полета по лунной орбите продолжительностью не менее десяти дней.
После этого служебный модуль осуществит уход с лунной орбиты для пятидневного полета обратно на Землю. На расстоянии 5000 километров от Земли возвращаемый аппарат отделится от сервисного модуля за 20 минут до возвращения в атмосферу.
Повторно входя на скорости до 11 километров в секунду, возвращающееся аппарат будет использовать функцию «атмосферного отскока», которая увеличивает время торможения, снижает общую перегрузку транспортного средства и значительно снижает тепловую нагрузку на тепловой экран. Требуя точного наведения, процедура Skip Re-Entry состоит из начального погружения в атмосферу для снижения скорости космического корабля, который выполняет маневр «отскока», чтобы снова покинуть атмосферу и продолжить движение по баллистической суборбитальной траектории, ведущей к следующей вход в атмосферу с пониженной скоростью для атмосферного спуска и приземления с парашютом.