五問“嫦五”，怎樣去月球“挖土”

倪偉

一問：嫦娥五號(hào)去月球做什么

2020年12月17日1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，標(biāo)志著我國首次地外天體采樣返回任務(wù)圓滿完成。

作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰(zhàn)，中國航天科技集團(tuán)有限公司研制的嫦娥五號(hào)，連續(xù)實(shí)現(xiàn)我國航天史上的四個(gè)“首次”：首次月面自動(dòng)采樣，首次月面起飛上升，首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對接，首次帶月壤高速再入返回地球。

設(shè)計(jì)師為嫦娥五號(hào)設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取，嫦娥五號(hào)著陸后開展了為期兩天的月面工作，采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等各種方式，采集約2千克月壤并進(jìn)行密封封裝。嫦娥五號(hào)隨身攜帶了鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等科技“神器”。

此外，嫦娥五號(hào)探測器還開展了一系列科學(xué)探測，如著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析，著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系等。

二問：誰送嫦娥五號(hào)去月球

此次運(yùn)送嫦娥五號(hào)去月球的“班車”，與2020年7月運(yùn)送天問一號(hào)去火星的是同一輛——長征五號(hào)運(yùn)載火箭。這也是長征五號(hào)第二次承擔(dān)應(yīng)用性任務(wù)。

此次探月任務(wù)要實(shí)現(xiàn)月球采樣返回，探測器總重8.2噸，在我國現(xiàn)有運(yùn)載火箭中，只有長征五號(hào)可以將其送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

地月轉(zhuǎn)移軌道是一個(gè)大橢圓的軌道，近地點(diǎn)200千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)41萬千米。長征五號(hào)將嫦娥五號(hào)直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，不需探測器自身加速。探測器與火箭分離以后，沿著大橢圓軌道飛行，可以到達(dá)近月點(diǎn)附近，在近月點(diǎn)附近減速后，進(jìn)入環(huán)繞月球的軌道。

“十四五”期間，長征五號(hào)系列火箭將執(zhí)行我國載人空間站建設(shè)，計(jì)劃在未來2～3年內(nèi)，用長征五號(hào)B火箭完成載人空間站的主體建設(shè)。長征五號(hào)火箭還將在深空探測、星際探測中扮演重要角色，不論是行星探測還是小行星探測，長征五號(hào)強(qiáng)大的運(yùn)載能力都是實(shí)現(xiàn)航天目標(biāo)的重要支撐，不僅可以讓探測器攜帶更多科學(xué)探測設(shè)備，還可以在軌道設(shè)計(jì)上擁有更多選擇。

三問：在月球怎么“挖土”

作為此次任務(wù)的核心環(huán)節(jié)，月球表面自動(dòng)采樣和封裝最引人注目。

此次嫦娥五號(hào)的鉆取采樣裝置可以鉆進(jìn)月表2米深的地方，采集月壤樣品。所采用的鉆頭，可謂百里挑一，研制人員對比了16種設(shè)計(jì)方案，最終確定雙排鉆牙階梯構(gòu)型，具備對8級硬度巖石的鉆進(jìn)能力，針對不同顆粒度月壤具有切削、撥、擠、排的能力。

四問：“挖土”后怎么返回

嫦娥五號(hào)不是整個(gè)降落在月球上，到了月球軌道以后，嫦娥五號(hào)的四個(gè)部分就分成了兩部分，著陸器和上升器組合體降落，軌道器和返回器組合體環(huán)繞月球飛行。等采樣完成后，上升器點(diǎn)火起飛，與軌道器和返回器組合體對接，把樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)。軌道器與返回器一起飛回地球，最終在地球上空再次解體，返回器帶著樣品獨(dú)自回歸。

所有操作幾乎都是首次嘗試，頗具科幻感的一幕是上升器在月面點(diǎn)火起飛，這是我國航天器首次在另一個(gè)星球起飛。

在地球上發(fā)射運(yùn)載火箭，需要一套完備的發(fā)射塔架系統(tǒng)，點(diǎn)火起飛位置經(jīng)過精確測算，飛行軌道也是經(jīng)過一遍遍計(jì)算好的。月面起飛就不一樣了，沒有發(fā)射塔架，著陸器就相當(dāng)于上升器的塔架。而月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡或者凹凸不平的月表，這給起飛帶來了很大的難度。

此外，還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限等難題。月面起飛的時(shí)候，無法像運(yùn)載火箭在地面發(fā)射前由地面人員完成測調(diào)和確認(rèn)，必須依靠航天器“自力更生”，實(shí)現(xiàn)起飛時(shí)自主定位定姿。

五問：與前四位“嫦娥”有何不同

承擔(dān)的使命不同。嫦娥五號(hào)要完成探月工程“繞、落、回”的最后一步，將推動(dòng)我國深空探測領(lǐng)域的科技進(jìn)步，促進(jìn)我國空間科學(xué)、空間技術(shù)跨越發(fā)展。

任務(wù)目標(biāo)不同。嫦娥五號(hào)任務(wù)的目的是實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣返回，開展月球樣品地面分析研究。實(shí)施任務(wù)期間，嫦娥五號(hào)探測器將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)，要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平，要實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)重大跨越。另外，還要為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

歸宿不同。嫦娥一號(hào)在環(huán)繞月球探測以后，按預(yù)定計(jì)劃受控撞月，殞命月表；嫦娥二號(hào)完成月球探測任務(wù)后，與圖塔蒂斯小行星擦肩而過，實(shí)現(xiàn)我國對小行星的飛躍探測，之后飛向更遠(yuǎn)深空，成為我國第一個(gè)行星際探測器；嫦娥三號(hào)和四號(hào)將永久留在月球正面和背面；而嫦娥五號(hào)分離成了四部分，分別留在月表、月球軌道、地月之間和返回地球。