嫦娥-5：匠心獨(dú)妙的“采樣返回”
—專訪探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云

本刊記者 徐菁

嫦娥-5：匠心獨(dú)妙的“采樣返回”
—專訪探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云

本刊記者 徐菁

2014年10月24日-11月1日，我國(guó)探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器—嫦娥-5T（CE-5T）任務(wù)圓滿完成，成功著陸在預(yù)定區(qū)域。嫦娥-5T任務(wù)對(duì)探月三期下一步實(shí)施有什么重要意義？嫦娥-5探測(cè)器到底如何“采樣返回”？本刊記者專訪了中國(guó)航天科技集團(tuán)公司科技委副主任、探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云。

記者：于總，您好，感謝您接受采訪。請(qǐng)問(wèn)探月工程三期在最初論證時(shí)是否規(guī)劃了嫦娥-5T任務(wù)？

于登云：由于考慮探月工程經(jīng)費(fèi)規(guī)模，所以在探月工程三期立項(xiàng)之前的最初論證時(shí)只計(jì)劃了嫦娥-5/6兩次任務(wù)，其中嫦娥-6作為嫦娥-5的備份，并未列入嫦娥-5T高速再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)，只是把高速再入返回作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。但是在后來(lái)的立項(xiàng)評(píng)估時(shí)，以中國(guó)航天科技集團(tuán)公司王禮恒院士為代表的幾位大牌專家認(rèn)為，高速返回任務(wù)是我國(guó)第一次實(shí)施，而且這項(xiàng)技術(shù)的成敗直接關(guān)系到探月三期工程的成敗，月球樣品能否安全回收關(guān)系到全局，如果事先不進(jìn)行在軌驗(yàn)證，勢(shì)必會(huì)給探月工程三期順利實(shí)施帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。于是我們重新修改了立項(xiàng)報(bào)告，在探月工程三期嫦娥-5、6任務(wù)之前增加一項(xiàng)高速再入返回飛行試驗(yàn)。因?yàn)轫?xiàng)目經(jīng)費(fèi)有限，我們參照嫦娥-1任務(wù)的情況，申報(bào)了這次試驗(yàn)任務(wù)的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。

考慮到任何一項(xiàng)任務(wù)都會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)，在論證這一飛行試驗(yàn)任務(wù)時(shí)我們還探討了是否要安排進(jìn)行兩次，所以最初我們稱這次任務(wù)為嫦娥-5T1。這次高速再入返回飛行試驗(yàn)完成得很成功，達(dá)到了預(yù)期目的，獲得了很多珍貴數(shù)據(jù)，該考核的地方都考核了。因此，雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)還在深入分析之中，但估計(jì)不會(huì)再實(shí)施第二次飛行試驗(yàn)任務(wù)。

記者：這次嫦娥-5T任務(wù)的圓滿完成對(duì)探月工程三期下一階段實(shí)施有什么重要意義？

于登云：這次試驗(yàn)任務(wù)意義重大，為探月工程三期的順利實(shí)施起到了先導(dǎo)作用，具有承上啟下的意義。所謂“承上”是指嫦娥-5T充分繼承了探月一期和二期的成果，尤其是嫦娥-2的成果，因?yàn)殒隙?5T的服務(wù)艙繼承了嫦娥-2的平臺(tái)，并做了一些適應(yīng)性修改；所謂“啟下”是指通過(guò)這次任務(wù)把嫦娥-5的某些實(shí)際飛行軌道，以及高速返回再入的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，從而有利于提高嫦娥-5任務(wù)的可靠性和安全性，降低了任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

這次嫦娥-5T飛行試驗(yàn)任務(wù)非常成功，很好地驗(yàn)證了返回器高速再入返回技術(shù)，這其中包括防熱技術(shù)、氣動(dòng)力技術(shù)，以及減速跳躍時(shí)所需的精確控制技術(shù)。同時(shí)，還驗(yàn)證了軌道技術(shù)、回收著陸技術(shù)以及其他搭載的新技術(shù)等。

記者：我國(guó)的返回式衛(wèi)星、載人飛船已多次成功完成返回再入，為什么嫦娥-5不直接照搬載人飛船和返回式衛(wèi)星的返回模式呢？

于登云：探月工程三期任務(wù)之所以采用這種高速跳躍式返回，是其自身任務(wù)的需要。月球采樣返回的過(guò)程與返回式衛(wèi)星和載人飛船任務(wù)是完全不一樣的。

嫦娥-5從月球軌道返回到達(dá)距離地球5000多千米時(shí)軌道器與返回器分離，這時(shí)的飛行速度大約10.6km/s，接近第二宇宙速度；而載人飛船及返回式衛(wèi)星運(yùn)行在低地球軌道，返回時(shí)的速度最大不超過(guò)8km/s，只是第一宇宙速度。由于兩者在返回速度上差別很大，因此嫦娥-5不可能采用載人飛船或返回式衛(wèi)星的再入返回模式。

正因?yàn)殒隙?5任務(wù)返回速度大，在氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、結(jié)構(gòu)及控制等方面帶來(lái)了新的要求和挑戰(zhàn)，所以必須采取新的返回措施，也就是要使返回器在再入大氣層時(shí)盡可能將速度降下來(lái)。進(jìn)入大氣層時(shí)采用跳躍式返回可以起到比較理想的減速作用，使結(jié)構(gòu)和防熱系統(tǒng)的壓力得到緩解，同時(shí)也使航程和落點(diǎn)達(dá)到理想的結(jié)果。

記者：除了高速返回技術(shù)之外，為了保證嫦娥-5任務(wù)的實(shí)施，其他一些關(guān)鍵技術(shù)如何驗(yàn)證？

于登云：與嫦娥-1、2、3相比，嫦娥-5最大的不同就是無(wú)人采樣和返回，很多技術(shù)都是全新的，以前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)。通過(guò)嫦娥-5T，我們驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)最大的高速再入返回的有關(guān)技術(shù)，但是其他一些關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法通過(guò)這次試驗(yàn)進(jìn)行在軌驗(yàn)證，只能通過(guò)地面的分析、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，盡可能地模擬太空環(huán)境和使用情況。這是因?yàn)楣こ萄兄频慕?jīng)費(fèi)和進(jìn)度有限，不可能、當(dāng)然也沒(méi)必要將所有新技術(shù)都通過(guò)在軌飛行來(lái)驗(yàn)證。比如，嫦娥-3任務(wù)實(shí)施前我們無(wú)法對(duì)落月技術(shù)進(jìn)行在軌驗(yàn)證，而是通過(guò)在地面模擬月球環(huán)境，進(jìn)行分析、試驗(yàn)和仿真，以確保驗(yàn)證盡可能充分。而且，嫦娥-3任務(wù)的成功完成也表明，在地面進(jìn)行模擬、試驗(yàn)、仿真的方法是很有效的，所以我們也相信，對(duì)于嫦娥-5其他一些關(guān)鍵技術(shù)在地面進(jìn)行試驗(yàn)同樣會(huì)達(dá)到預(yù)期的效果。

同時(shí)，嫦娥-5T的服務(wù)艙在把返回艙送到預(yù)定的返回軌道之后，又升軌到達(dá)拉格朗日L2點(diǎn)進(jìn)行拓展試驗(yàn)，它在完成拓展試驗(yàn)后，可能還會(huì)回到月球軌道進(jìn)行其他一些技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，包括未來(lái)在月球軌道交會(huì)對(duì)接時(shí)的快速測(cè)定軌技術(shù)、控制技術(shù)等，通過(guò)這些試驗(yàn)也可以驗(yàn)證嫦娥-5所需的一些關(guān)鍵技術(shù)，使這次高速再入返回效益最大化。

記者：嫦娥-5T采用了不同于嫦娥-1、2、3的飛行軌道，請(qǐng)您介紹一下。

于登云：嫦娥-5T從10月24日發(fā)射到11月1日返回，飛行試驗(yàn)任務(wù)總共用了8天多一點(diǎn)時(shí)間。從整個(gè)任務(wù)的飛行軌道來(lái)說(shuō)，采用的是繞月自由返回軌道，這是以往探測(cè)器沒(méi)有飛行過(guò)的軌道。從任務(wù)軌道的各個(gè)階段來(lái)看，經(jīng)過(guò)了發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、月球近旁轉(zhuǎn)向段、月地轉(zhuǎn)移段、返回再入段和回收著陸段。其中，發(fā)射段和地月轉(zhuǎn)移段是以往探測(cè)器經(jīng)歷過(guò)的，之后的4個(gè)飛行階段則是我國(guó)探測(cè)器第一次執(zhí)行。在嫦娥-5T進(jìn)入月球引力圈時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)向，繞月球飛行，經(jīng)過(guò)30多個(gè)小時(shí)后進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，然后到達(dá)距地約5000km處，嫦娥-5T服務(wù)艙與返回器分離，返回器高速再入返回，著陸到地面預(yù)定區(qū)域。

實(shí)際上，由于嫦娥-5T的主要任務(wù)是驗(yàn)證高速返回，只要能使飛行試驗(yàn)器到達(dá)距地5000km的再入返回點(diǎn)就行，因此也可以采用其他飛行軌道。嫦娥-5T之所以采用從月球背面繞過(guò)再返回的軌道，也是為了更多地驗(yàn)證一些新的關(guān)鍵技術(shù)，獲得更多的實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

記者：嫦娥-5T任務(wù)發(fā)射時(shí)還搭載了一顆國(guó)外小衛(wèi)星，這是一顆什么樣的衛(wèi)星？

于登云：由于發(fā)射嫦娥-5T的長(zhǎng)征-3C火箭還有剩余的運(yùn)載能力，于是我國(guó)開(kāi)展了國(guó)際合作，搭載了一顆國(guó)外小衛(wèi)星。這是一顆盧森堡空間公司研制的一顆小衛(wèi)星，名叫4M（Manfred Memorial Moon Mission），意思是“紀(jì)念Manfred的繞月任務(wù)”，Manfred是盧森堡空間公司的母公司德國(guó)OHB公司的創(chuàng)始人，一生致力于倡導(dǎo)、推動(dòng)深空探測(cè)活動(dòng)。發(fā)射這顆小衛(wèi)星的意義在于紀(jì)念Manfred及所有為航天做出貢獻(xiàn)的人。

長(zhǎng)征-3C火箭與嫦娥-5T分離后，火箭第三級(jí)帶著小衛(wèi)星繞月球一圈，然后在距離地面1×104km的高度將小衛(wèi)星拋出，4M衛(wèi)星在1×104km高度的地球軌道飛行，它的主要任務(wù)是驗(yàn)證電池是否能在太空惡劣環(huán)境下長(zhǎng)壽命工作。

記者：與美國(guó)和蘇聯(lián)的月球采樣任務(wù)相比，我國(guó)嫦娥-5采樣返回任務(wù)的特點(diǎn)是什么？

于登云：從1976年以后，國(guó)外沒(méi)有探測(cè)器在月面進(jìn)行探測(cè)，因此我國(guó)的嫦娥-3、5探測(cè)器是1976年之后國(guó)際上首次在月表考察，嫦娥-3在月面軟著陸和自動(dòng)巡視是這樣，嫦娥-5將完成的自動(dòng)采樣返回也是這樣。無(wú)論是美國(guó)的有人月面采樣返回，還是蘇聯(lián)的無(wú)人月面采樣返回，都是在1976年之前發(fā)生的事，那時(shí)的航天技術(shù)與現(xiàn)在的航天技術(shù)不可同日而語(yǔ)。

嫦娥-5的采樣方案也是與國(guó)外完全不同的。蘇聯(lián)的無(wú)人采樣任務(wù)中沒(méi)有采用交會(huì)對(duì)接，探測(cè)器直接在月球著陸，采樣后直接返回地球。美國(guó)的載人采樣任務(wù)是由航天員落到月面進(jìn)行采樣，然后回到月球軌道進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，這樣做是為了最大限度的利用運(yùn)載能力，并減輕落月壓力。嫦娥-5雖然也是無(wú)人采樣返回，但由于受到我國(guó)運(yùn)載能力等各方面的限制，我們不可能采取俄羅斯的那種采樣方式，直接落月，然后直接返回；而是讓著陸器和上升器及采樣機(jī)構(gòu)落到月球表面，上升器在接收到采樣機(jī)構(gòu)采集到的樣品后，與著陸器分離并自主起飛，重新回到月球軌道，與軌道器和返回器組合體對(duì)接，然后將樣品轉(zhuǎn)移到返回器中，最終軌道器攜帶返回器進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，返回器回到地球。當(dāng)然，我們這么做，還有另外一個(gè)目的，就是想盡可能為未來(lái)載人登月做些技術(shù)儲(chǔ)備。

另外，嫦娥-5的采樣機(jī)構(gòu)將用兩種方式進(jìn)行采樣，一種是采集月球表面土壤樣品，一種是鉆取月球表面以下土壤樣品。嫦娥-5采集的樣品預(yù)計(jì)是千克級(jí)，蘇聯(lián)采集到的樣品只有300多克，美國(guó)采集到的樣品是300多千克。

因此，可以說(shuō)我國(guó)的無(wú)人自動(dòng)采樣返回方案是在汲取美國(guó)有人采樣和蘇聯(lián)無(wú)人采樣的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況走出的一條新路，這是一個(gè)創(chuàng)新，當(dāng)然難度也更大。

記者：請(qǐng)您給我們?cè)敿?xì)介紹一下嫦娥-5探測(cè)器。

于登云：簡(jiǎn)單地說(shuō)，嫦娥-5探測(cè)器由“四器兩機(jī)構(gòu)加一個(gè)總體”構(gòu)成，是全新的航天器。所謂“四器”分別是軌道器、著陸器、上升器和返回器，所謂“兩機(jī)構(gòu)”是指交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)和自動(dòng)采樣機(jī)構(gòu)。

軌道器幾乎參與采樣返回任務(wù)的全過(guò)程，其作用是在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中做好動(dòng)力、服務(wù)和保障工作。嫦娥-5在器箭分離以后進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，軌道器負(fù)責(zé)把探測(cè)器的其他部分送到月球軌道；在采樣階段，軌道器帶著返回器在月球軌道停泊等待；在上升器把樣品帶回月球軌道之后，軌道器負(fù)責(zé)與上升器對(duì)接；當(dāng)樣品轉(zhuǎn)移到返回器之后，軌道器還負(fù)責(zé)把返回器送回月地轉(zhuǎn)移軌道。在到達(dá)距地球約5000km并與返回器分離后，軌道器的任務(wù)就完成了。

嫦娥-5T任務(wù)采用跳躍式返回（董佼/制）

接著說(shuō)說(shuō)著陸器。在器箭分離之后一直到準(zhǔn)備落月之前，它與軌道器是一體的；在到達(dá)月球軌道后，著陸器帶著上升器及采樣機(jī)構(gòu)同軌道器與返回器組合體分離，并確保在月球相對(duì)平坦的表面安全著陸；同時(shí)，還要保證采樣機(jī)構(gòu)能夠采集到樣品，并確保樣品轉(zhuǎn)移到上升器中；著陸器還有最后一個(gè)任務(wù)，就是為上升器提供一個(gè)安全起飛的環(huán)境，一旦上升器以著陸器作為起飛平臺(tái)安全起飛后，著陸器就完成了它的使命。

上升器的主要作用是在落月以后負(fù)責(zé)把采樣機(jī)構(gòu)采集的樣品封存起來(lái)，并將樣品送到月球軌道；上升器完成與返回器和軌道器組合體的對(duì)接后，還要把樣品轉(zhuǎn)移到返回器中，最終上升器與軌道器-返回器組合體分離。

返回器的任務(wù)是在軌道器的輔助下，將樣品從月球軌道帶回地球，特別是在距地約5000km時(shí)與軌道器分離后，返回器必須完全依靠自己安全返回地球。

記者：嫦娥-5任務(wù)中的交會(huì)對(duì)接和“神舟”飛船與天宮-1的交會(huì)對(duì)接是一樣的嗎？

于登云：這兩種對(duì)接當(dāng)然是不一樣的。載人飛船的交會(huì)對(duì)接是在近地軌道上進(jìn)行的，地面人員能夠進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控；而嫦娥-5在月球軌道的交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，有一小段時(shí)間是地面無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控的，嫦娥-5必須采用自主的方式進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。另一方面，兩者的交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)也不同，載人飛船和天宮-1都是大型航天器，采用異體同構(gòu)周邊式交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行；而嫦娥-5任務(wù)中，航天器質(zhì)量相對(duì)較小，嫦娥-5探測(cè)器包括推進(jìn)劑在內(nèi)質(zhì)量只有8t左右，上升器質(zhì)量不到2t，軌道器-返回器組合體到月球軌道后不到4t；而且對(duì)接機(jī)構(gòu)與前者也不同。總的來(lái)說(shuō)，嫦娥-5的交會(huì)對(duì)接技術(shù)雖然可以借鑒載人交會(huì)對(duì)接，但是還是有很大的區(qū)別。

記者：您認(rèn)為，探月三期工程完成后我國(guó)還會(huì)有后續(xù)的探測(cè)計(jì)劃嗎？

于登云：我相信，國(guó)家肯定還會(huì)有后續(xù)探測(cè)計(jì)劃。因?yàn)槲覀儗?duì)月球的認(rèn)識(shí)不能僅僅停留在“繞、落、回”，這只是目前無(wú)人探測(cè)的“三步”，我們真正要實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)月球，開(kāi)發(fā)月球資源，并利用月球資源造福人類，這“三步”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們還應(yīng)該要有新的“三步”或者“四步”，應(yīng)該有載人月球探測(cè)，甚至在月球上建立基地。

另一方面，深空探測(cè)不僅局限于月球探測(cè)，人類探測(cè)的目標(biāo)和任務(wù)還有很多，比如火星、金星、小行星等，通過(guò)這些探測(cè)，不僅可以推動(dòng)航天技術(shù)進(jìn)步，而且可以回答人類一直在探究的問(wèn)題：人類從何而來(lái)？未來(lái)人類將到哪里去？等等。

目前，我國(guó)正在進(jìn)行深空探測(cè)規(guī)劃的論證。盡管在當(dāng)前的歷史時(shí)期，應(yīng)用衛(wèi)星和衛(wèi)星應(yīng)用仍然是國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，但是深空探測(cè)是我們認(rèn)識(shí)和了解宇宙的重要方式，要想從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)，我們也必須進(jìn)行深空探測(cè)。

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