嫦娥五號(hào)：開(kāi)啟中國(guó)探月新征程

科技輿情分析研究所

月球，是地球唯一的天然衛(wèi)星，直徑是地球的四分之一，質(zhì)量是地球的八十分之一。月球是離我們最近的星球，地月距離只有約38萬(wàn)公里。

探索月球的意義非凡。首先，月球表面有豐富的礦物資源，尤其是地球上非常稀缺的氦-3，氦-3 是高能且清潔的聚變能源，是未來(lái)星際旅行的主要“燃料”，戰(zhàn)略意義重大。其次，月球的微重力和極端環(huán)境，給部分研究提供了極好的天然條件，在月球建立實(shí)驗(yàn)室勢(shì)必能推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。最后，人類(lèi)終將走出地球，而月球是天然的第一站，無(wú)論是觀(guān)測(cè)前哨還是宇航中轉(zhuǎn)，月球都具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)探月工程又稱(chēng)“嫦娥工程”。2004 年，中國(guó)正式開(kāi)展月球探測(cè)工程。經(jīng)過(guò)10年的醞釀，中國(guó)的探月工程最終確定分“繞”、“落”、“回”三步實(shí)施，而每一前期工程都是后期工程的前提和基礎(chǔ)。

一期工程——“繞”，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的全球性、整體性和綜合性環(huán)繞探測(cè)；二期工程——“落”，實(shí)現(xiàn)月球軟著陸，對(duì)月面進(jìn)行就位探測(cè)和巡視勘察；三期工程——“回”，實(shí)現(xiàn)月球樣品自動(dòng)取樣并安全返回地球。前面的幾次任務(wù)已經(jīng)圓滿(mǎn)完成，獲得了大量的探測(cè)數(shù)據(jù)，成果豐碩。

嫦娥五號(hào)完美落月

“嫦”風(fēng)破浪正當(dāng)時(shí)，“五”動(dòng)九州攬?jiān)禄亍?/p>

11月24日凌晨，中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)。長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾焰，用巨大的轟鳴打破海岸邊夜的寧?kù)o，全速托舉中國(guó)探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器劃過(guò)夜空，邁出中國(guó)首次地外天體采樣返回的第一步。這是中國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰(zhàn)，更是中國(guó)航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。

按照計(jì)劃，嫦娥五號(hào)將成為中國(guó)首顆從月球采樣后起飛的探測(cè)器，還將帶著自動(dòng)采集的約2千克月壤歸來(lái)。

月壤即月球的土壤，對(duì)地球人來(lái)說(shuō)蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)價(jià)值。為了去月球“挖土”，主要航天國(guó)家都“很拼”。

1970 年蘇聯(lián)月球16 號(hào)探測(cè)器從月球取回了一塊101 克的小樣本，月球20 號(hào)探測(cè)器和月球24號(hào)探測(cè)器則分別采集到了55克與170克樣品。

1969年7月至1972年12月間，美國(guó)通過(guò)阿波羅11 號(hào)到阿波羅17 號(hào)載人飛船實(shí)施了7 次載人登月任務(wù)，除了阿波羅13 號(hào)因發(fā)生故障中途返回，其余6艘飛船皆完成登月，成功將12名航天員送上月球，共帶回月壤和月巖樣品約382千克。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要是開(kāi)展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察；對(duì)月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器軌控示意圖（2020年12月14日攝）。（國(guó)家航天局供圖）

科學(xué)家們認(rèn)為，嫦娥五號(hào)樣本可以填補(bǔ)科學(xué)家對(duì)月球火山活動(dòng)理解上的一個(gè)重要空白。之前美國(guó)和蘇聯(lián)的月球任務(wù)所獲得的巖石表明，月球上的火山活動(dòng)在35 億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。但通過(guò)對(duì)月球表面的觀(guān)測(cè)卻發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能含有最近10 至20 億年前才形成的火山熔巖。如果嫦娥五號(hào)的樣本能證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng)，那么將改寫(xiě)月球的歷史。

“我們這次的目標(biāo)是帶回約2 千克月壤。經(jīng)過(guò)論證，2 千克數(shù)量上不算少，工程上可實(shí)現(xiàn)。但作為對(duì)這次任務(wù)的考核，我們的目標(biāo)是采樣返回。采到樣品返回地球，就是成功?！眹?guó)家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇說(shuō)。

嫦娥五號(hào)探月有何難？

嫦娥五號(hào)探測(cè)器任務(wù)技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在軌道設(shè)計(jì)、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移等方面。

首先是月球軌道設(shè)計(jì)復(fù)雜。因?yàn)殒隙鹞逄?hào)探測(cè)器的飛行階段多，各個(gè)階段軌道方案耦合緊密，涉及測(cè)控、運(yùn)載和著陸場(chǎng)的多種限制，約束條件多，飛行過(guò)程還涉及月面起飛、軌道交會(huì)對(duì)接、月地軌道等新的飛行階段，在以前“繞”和“落”任務(wù)中是沒(méi)有涉及的。飛行過(guò)程復(fù)雜，軌道設(shè)計(jì)難度較大，在標(biāo)稱(chēng)軌道設(shè)計(jì)方案上還需要考慮推進(jìn)劑資源受限的情況下制訂各種預(yù)案，對(duì)軌道設(shè)計(jì)也是全新的挑戰(zhàn)。

第二是月面采樣封裝技術(shù)，這是全新的技術(shù)，也是嫦娥五號(hào)月球無(wú)人采樣返回任務(wù)的核心環(huán)節(jié)之一。該任務(wù)采用鉆取和表取結(jié)合，多點(diǎn)采樣方式，采樣裝置是全新研制，技術(shù)新、難度大，需要考慮飛行任務(wù)及探測(cè)器的測(cè)控、光照條件、電源、熱控等各種約束，采樣期間面臨月面持續(xù)高溫的工作環(huán)境，同時(shí)采樣任務(wù)時(shí)序緊張、機(jī)構(gòu)動(dòng)作多、不確定因素多。

第三是月面起飛上升驗(yàn)證比較難。由上升器、著陸器和月面構(gòu)成的月面起飛系統(tǒng)，其初始狀態(tài)源自著陸上升組合體著陸月面的場(chǎng)坪條件、著陸的姿態(tài)及方位等條件，月面起飛初始條件無(wú)法像運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈一樣在地面由地面人員完成測(cè)調(diào)和確認(rèn)，必須依靠自主定位定姿方式確定起飛的初始狀態(tài)。面對(duì)傾斜發(fā)射的情況，需要明確起飛穩(wěn)定性的各種因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對(duì)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)精確入軌。與常規(guī)的航天器面臨的羽流環(huán)境不同，上升器發(fā)動(dòng)機(jī)在受限空間中點(diǎn)火是有非常復(fù)雜的羽流力熱效應(yīng)，需要通過(guò)大量的地面仿真和試驗(yàn)去進(jìn)行驗(yàn)證。

第四是月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移自主要求高。與近地軌道交會(huì)對(duì)接不同，嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的支持，對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程的自主要求很高。同時(shí)在月球交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，地面測(cè)控支持能力受到限制，受到對(duì)接機(jī)構(gòu)大小的限制，對(duì)接精度要求較高。嫦娥五號(hào)探測(cè)器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在保證對(duì)接精度的同時(shí)還必須滿(mǎn)足樣品轉(zhuǎn)移的相關(guān)要求。對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，也是該技術(shù)研究中的難點(diǎn)。

進(jìn)入深空探測(cè)新時(shí)代

中國(guó)探月工程是高效、低投入、高產(chǎn)出的典范，與美國(guó)動(dòng)輒數(shù)億美元的探測(cè)器相比，性?xún)r(jià)比極高。

在北京航天飛行控制中心拍攝的工作人員搜索嫦娥五號(hào)返回器畫(huà)面（2020年12月17日攝）。

“中國(guó)的探月工程，正是精打細(xì)算鋪就了探月之路，送嫦娥上天、采月壤返回，充分體現(xiàn)了集中力量辦大事的制度優(yōu)勢(shì)。”國(guó)家航天局探月與航天工程中心主管王正偉說(shuō)。

未來(lái)，中國(guó)人探索宇宙的腳步還將走得更遠(yuǎn)。

“在探測(cè)太空的領(lǐng)域，中國(guó)不能缺席?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花說(shuō)，從奔月到“闖”月、從跟跑到并跑，中國(guó)人在不停求索，部分領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始領(lǐng)先。

展望未來(lái)，嫦娥六號(hào)計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回。嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)任務(wù)目標(biāo)是建設(shè)月球科研站基本型。嫦娥七號(hào)計(jì)劃開(kāi)展月球極區(qū)資源詳查，對(duì)月球的地形地貌、物質(zhì)成分、空間環(huán)境進(jìn)行綜合探測(cè)任務(wù)。嫦娥八號(hào)除繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)外，還要進(jìn)行一些關(guān)鍵技術(shù)的月面試驗(yàn)和技術(shù)利用。同時(shí)，中國(guó)也向國(guó)際社會(huì)發(fā)出倡議，希望與世界各國(guó)合作，共建國(guó)際月球科研站，這將為月球科學(xué)探測(cè)和月球相關(guān)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提供共享平臺(tái)。

“這次嫦娥五號(hào)肩負(fù)著月球采樣返回的光榮使命，我們的天問(wèn)一號(hào)也正在飛向火星的路上，我們還要飛得更遠(yuǎn)，去探測(cè)木星、小行星并建設(shè)我們的國(guó)際月球科研站。中國(guó)已經(jīng)昂首進(jìn)入了深空探測(cè)的新時(shí)代?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)月球探測(cè)工程首任首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說(shuō)。