如何比較嫦娥三號與日本隼鳥小行星在地外天體著陸技術難度的高低?
日本早在21世紀的前十年就實現了航天器在地外小行星降落並帶樣本返回地球。而嫦娥三號和五號的任務目標加起來才相當於一個隼鳥號,是不是說明了在地外天體降落並攜帶載荷返回地球這一技術水平上日本要高中國一大截?
不好說誰高誰低。
1. 嫦娥系列的體積都比隼鳥號大,這一點嫦娥系列不落後。
2. 從月球返回難度在於月球引力較大,需要配置額外的發射裝置,但隼鳥號不需要,小行星引力很小。
3. 隼鳥號的難度在於測控上,距離太遠,很多過程都依靠自動化完成,一旦失敗沒有挽回的餘地。嫦娥系列的測控延遲小,地月距離近(38萬公里),總航程很小。
4. 隼鳥號不能算完全成功,雖然有採集到樣本,但遇到的很多故障,有一些預期目標沒有達到,可以說運氣成分也很大。並且,也不能完全算是著陸。
5. 嫦娥系列規模大,隼鳥號精細程度高,二者方向不同。贊同 @時國懷 的答案。
地外天體是個很大的概念,著陸不同的天體有不一樣的挑戰。而且就算是同一天體,每次著陸的科學實驗的目的也不同,因此無法進行整體比較。
但就深空探測而言,隼鳥號著陸「絲川」比嫦娥2號飛掠「圖塔蒂斯」要難的多,與嫦娥3號比則見仁見智。
著陸小天體與著陸月球這樣的大天體相比是非常不同的。
一是距離地球遙遠,地面導航誤差很大,時延也很大,因此非常依賴自主GNC系統。
二是小行星形狀不規則,不能像月球這樣的大天體一樣近似為中心引力,相關的軌道動力學理論也不完備。
三是小行星引力場很弱,體積又很小,所以要求著陸末端的位置和速度控制都很精確。否則很容易擦肩而過(隼鳥號第一次著陸)或者著陸後反彈(菲萊)。
總的來說,雖然對隼鳥號算不算成功的認可有不同(反正日本人是堅稱成功了),但隼鳥號的科學任務在理論上就是前沿領域了。這一點從日本學者靠隼鳥號刷出來的論文數量上也可以體現。
而從科學問題的創新度來看,嫦娥3號達成的月球軟著陸再返任務是不如隼鳥號的小天體著陸任務的。至少目前我見到的靠嫦娥3號刷出來的論文數量還很少(個人觀點,歡迎打臉)。兩個任務都算參與了。「嫦娥三號」是真的參與了,13年嫦娥三號發射之前在新疆,佳木斯,昆明等四五個觀測站進行了一系列的「器地對接」實驗,我去了其中的三四個。參與研發的設備也真正用於「嫦娥三號」的軌道定位系統。「隼鳥號」是打醬油的,13年去日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)實習,實習的導師有個項目是隼鳥號自主導航系統相關演算法的研究,所以當時實習的題目是「小行星著陸器自主導航系統的板載加速」,不過實習的時間太短,就用C語言實現了一個地圖匹配的小演算法。
嫦娥工程是中國第一個深空探測計劃,實施的非常謹慎。每顆衛星都是建立在前期衛星的基礎上的,也就是所謂的「繞落回」三個階段。一號是繞月任務,測控技術主要是傳統地球衛星所用的USB和全新的VLBI技術。二號雖然也是繞月,但是近月點已經非常接近月球表面了,為嫦娥三號的登月拍攝了大量高清照片,測控技術仍然是USB和VLBI,不過VLBI從一號的S波段到了更高頻的X波段,精度提高了很多。嫦娥三號在一號二號的基礎上受控登月,測控技術除了以前的USB和VLBI外還有自主導航技術,不過我對自主導航不太了解就不瞎說了。中國的嫦娥工程全部是自主技術,當然這些技術也參考了美國早就嘗試過的方案,比如定軌所用的VLBI就是美國在各種深空探測任務中早就應用的技術。VLBI技術需要有深空網,在嫦娥任務之前中國連深空網都沒有。一號的時候VLBI是採用中科院的四個大口徑射電望遠鏡(其中兩面還是為了嫦娥任務新建的),相關的數據處理技術和設備也都是隨著任務的開展慢慢摸索的。到了二號和三號才在佳木斯,喀什等地建立了專門的深空網。因此嫦娥工程為我國未來的深空探測計劃打下了很多基礎。
其實和我國的嫦娥工程對應的是日本的SELENE(月亮女神號)衛星,如下圖所示。SELENE是日本的探月衛星,有兩個伴飛小衛星,比我國的嫦娥一號早一個月發射,所採用的測控手段差不多。不過由於SELENE有兩個伴飛小衛星,所以可以矯正電離層,大氣等相對誤差,使得相對定位更加精確。SELENE也只是繞月飛行並沒有做到登月。SELENE-2本來是要登月的,但是由於日本經濟條件不太好,到現在都沒發射,不知道還有沒有後續。
隼鳥號劍走偏鋒,一下子把「繞落回」全部實現。這樣做其實風險非常大。雖然隼鳥號技術確實NB,但是成功返回真的是非常大的靠運氣。隼鳥號登錄的糸川(Itokawa)號小行星(下圖的那個大土豆),非常小,非常遠,形狀又不規則。登錄這樣的小行星,對測控精度的要求非常高,日本本土狹小,深空站覆蓋不足,沒能力進行這麼高精度的測控,所以借用了美國JPL的深空網來幫助進行測控和導航。美國在深空探測方面有著豐富的經驗,因此對隼鳥號的幫助是非常大的。當然隼鳥號的自主導航系統不是JPL的,這對登錄成功是非常非常重要的。
大家想法不同,本質上不太好直接比較,中國比較謹慎,又都是採用自主技術,主要是為以後的深空探測任務打基礎,所以比較慢。日本人膽子大,運氣好,又有美國深空網的幫忙,所以看起來他們更厲害。
我也同意各有高低的說法,大家各有各的技術優勢,嫦娥軟著陸月球這件事,連老美都說棒。關於隼鳥號,也算是個奇蹟,這一路太不容易,日本有拍紀錄片。
隼鳥技術一般。
亮點①首次小行星著陸②全電推
不足
①用的四個電推最後就剩一個能用
②著陸小行星只能說部分成功,帶回來的物質遠遠少於預期
③中間失聯,各種故障
④NASA全程協力
日本深空探測很早,本身太空防務算交給了美國,載人也是和美國合作,日本出人出錢,美國出技術出飛船,所以基本航天經費能剩下一大筆,別的沒什麼需求就搞深空探測唄。
80年代跟隨哈雷艦隊觀測哈雷彗星,90年代對月球和火星各打一發均以失敗告終,00年代對小行星和月球各打一發,隼鳥一號和月亮女神一號(輝夜姬一號),後者取得成功,前者只能說坎坷。10年代,已打兩發,一個是對金星的破曉號,第一次打入金星軌道失敗,等了五年才重新打入,目前正在路上。另一個就是隼鳥二號,目前正在路上。
中國深空探測計劃,目前實施的只有嫦娥計劃的四個探測器到過深空:
①嫦娥一號,首次探測,撞擊月球表面,圓滿成功。
②嫦娥二號,獲得最精細月面圖,不過公開的只有50m解析度的,為後續探測計劃提供支持,經過多次延續任務,拜訪了「戰神」小行星,現在依然工作中,是中國最遠的探測器,驗證中國的深空探測能力。
③嫦娥三號,成功在月球著陸,釋放巡視器。整個任務是成功的,唯一的遺憾就是玉兔號月球車行走機構壞掉了,然而它持續工作了三年今年才終止通信,著陸器工作中。
④嫦娥五號t1,這是為嫦娥五號服務的,演練了除降落在月球表面和上升外的所有程序。返回器於數日後返回地球,伺服器先轉移到地月L2點後再次返迴環月軌道現在服務中。
未來的中日兩國計劃
日本jaxa官方稱未來會發射水星探測器,貌似搭乘美國的火箭,別的不多。國際空間站未來要退役,jaxa做了一些方案,但貌似沒有本國的載人航天計劃,應該還是國際合作,租用他國飛船。
中國的,嫦娥計劃系列,現在已經明確了四號和五號。
①嫦娥五號,明年發,8噸左右,軌道器+著陸器+返回器,相當於一個無人版的小型阿波羅計劃,步驟還是很複雜的。
②嫦娥四號,2018年發,首先發射一顆壽命為五年的中繼星,就在前述的嫦娥五號t1服務艙到過的地方,接著發射嫦娥四號,基本類似於嫦娥三號,實際上就是備份星。大概著陸於月球背面的艾肯特盆地。
火星探測計劃
大概是受了印度的刺激,2020年發射火星探測器,「軌道器+著陸器+巡視器」,共約4-5噸,由長征五號發射。這是歷史上飛往火星最重最複雜的探測器,我並不是指儀器複雜,儀器複雜的應該是美國的好奇號花了得30多億美金,而是流程複雜。希望2018年能發射一顆探路星探一下路。
中遠期的太空探測,已列入計劃的有金星木星最遠到天王星,不過這已經是規划到2050年的事了。
其他的像載人航天計劃不用多說了,「和平號」級別的空間站,「哈勃」級別的望遠鏡,「獵戶座」級別的新飛船,7-14人的亞軌道飛行器,混合動力飛行器(空天飛機)…
綜上,我國的航天計劃是全體系的,系統性強的。日本因為本國國情選擇了專精的道路。我感覺中國航天計劃還是比較保守的,講究實用、省錢。很明顯深空效益不高。最最關鍵的還是錢的問題,有了錢,這些都不是問題。
從技術上來說,嫦娥三號使用的只不過是普通的火箭發動機,而隼鳥號配備化學推進裝置共12台和電氣推進裝置——離子引擎(共4台)。
離子引擎適合在超長距離航行使用,隼鳥號使用的離子引擎,已經賣到美國,「目標是配備在美國宇航局(NASA)的深空探測器上。預計今後3年會有20億日元的訂單,目標是在美國的人造衛星用小型離子引擎市場上獲得6成以上的份額。」
比隼鳥號晚一年發射的歐洲羅塞塔號探測器也沒有應用離子引擎。
隼鳥號樣品倉返回大氣層的最高速度每秒鐘12公里,也就是35馬赫,我沒搜到神舟飛船返回艙的速度,不過因為要載人不可能比這個快了。既然能跑月球了,那多跑一趟小行星也不是難事,嫦娥2號已經近距離拜訪過圖塔蒂斯小行星了;
而中國的返回式衛星,發射24次,發射成功23次,回收成功22次,神舟載人返回地球也不是一兩次了,返回地球難度最大的大氣層階段已經搞定了;
2011年的螢火一號雖然被老毛子火箭給毀了(真想罵人啊!),但既然造出來了,說明相關技術(遠程通信,供電,著陸火星等)肯定已經解決了;
去趟月球需要著陸,多出來的燃料、發動機、電力系統、保溫系統等增加好多載重,還是解決了。
就是說,島國做到了的我們能做到,島國還做不到的我們已經做到了
又查了些資料:
島國登陸的那顆系川小行星,線度630米,速度每秒25.37km/s,隼鳥號登陸時它距地球2.9億公里;
嫦娥2號拜訪過的圖塔蒂斯(戰神)小行星,線度4公里,速度9.7km/s,嫦娥2號拜訪它時距地球700萬公里
不過這不代表兔子做不到~
看了下一些維基百科資料和網友的介紹 隼鳥號的』著陸』可能不是真的軟著陸 應該只是類似於飛機掠地飛行時收集捲起地面物質形式的著陸~所以 這也可能就是島國去『著陸』小行星 不去著陸月球的原因吧~
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