嫦娥五號，歡迎回家

隨著嫦娥五號探測器發(fā)射升空，往返距離近80萬公里的嫦娥五號月球探測任務正式開啟。

2020年12月17日晚8時，一輛軍綠色卡車緩緩駛入中國空間技術研究院，16發(fā)禮炮依次響起，等候已久的人群發(fā)出陣陣歡呼和掌聲?？ㄜ嚿陷d著的是嫦娥五號返回器，而作為嫦娥五號探測器的抓總研制單位，中國空間技術研究院正是她“誕生”的地方。

帶著月球“土特產(chǎn)”，遠游的“孩子”回了家。嫦娥五號任務是我國探月工程的第6次任務，也是中國迄今為止復雜度最高、技術跨度最大的航天系統(tǒng)工程。其帶著“土特產(chǎn)”回家標志著我國已具備地月往返的能力，探月工程“繞、落、回”三步走規(guī)劃完美收官。

2020年11月24日，長征五號運載火箭攜嫦娥五號月球探測器在文昌發(fā)射升空（圖/新華官方微博）

嫦娥五號探測器什么樣

落月后的嫦娥五號探測器（圖/新華社）

嫦娥五號探測器的成功發(fā)射，使人們的目光又一次聚焦嫦娥家族：與嫦娥家族中前幾位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”有什么不同，她在大家族中又扮演著什么角色，發(fā)揮著什么作用？

“首先是‘外貌’即外觀造型不同?！睋?jù)中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器副總設計師阮劍華介紹，與嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥四號相比，嫦娥五號探測器的技術跨度大，結構也更為復雜，它是由軌道器、著陸器、上升器、返回器等四器組成。

這四器就像“糖葫蘆”一樣，每一個都是單獨的個體，放在一起還能組合，比如著陸器和上升器“抱”在一起，就組合成了“著上組合體”，軌道器和返回器組合，就成了“軌返組合體”。四器“串”在一起，則構成了一個完整的探測器。

相應地，嫦娥“大姐”和“二姐”分別是單獨的衛(wèi)星，“三姐”和“四姐”則是由著陸器和月球車“兩器”組成。從這個角度來說，嫦娥五號是嫦娥家族里結構最復雜的探測器。

嫦娥五號承擔的使命、任務目標也比較特殊。與前幾位“姐姐”不一樣，“五姑娘”要實現(xiàn)我國首次在地外天體無人采樣返回，開展月球樣品地面分析研究。

阮劍華介紹，探月工程從立項之初，就設計了“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略，這意味著嫦娥家族眾姐妹將擁有不同的命運和歸宿——

2007年10月24日，我國成功發(fā)射嫦娥一號衛(wèi)星，2009年3月1日，嫦娥“大姐”按預定計劃受控撞月，為探月工程一期——“繞月探測”任務畫上了一個圓滿的句號。

2010年10月1日，嫦娥二號衛(wèi)星發(fā)射成功，2012年12月13日，嫦娥二號衛(wèi)星與圖塔蒂斯小行星由遠及近“擦肩而過”，首次實現(xiàn)我國對小行星的飛躍探測。嫦娥“二姐”也因此成了我國第一個行星際探測器。

2013年12月14日，嫦娥三號探測器著陸月面，次日，著陸器和巡視器互拍成像，嫦娥三號任務圓滿成功，實現(xiàn)了我國首次地外天體軟著陸和巡視探測。

從此，嫦娥“三姐”永久留在了月面，常駐“廣寒宮”，和玉兔號月球車一起，遙望地球家園。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功登陸月球背面，成為人類歷史上首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，至今狀態(tài)良好。未來，嫦娥“四姐”還將和玉兔二號月球車一起，繼續(xù)月球背面的探索之旅。

嫦娥家族此前的幾位“姐姐”還有一個共同點，就是誰也不能再次回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更遠的深空。相比之下，嫦娥“五姑娘”就幸福多了：她從“月宮”瀟灑走一回后，還能捎點“特產(chǎn)”——月壤，再次回到地球母親的懷抱。

創(chuàng)造5 個“中國首次”

國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華介紹，嫦娥五號任務創(chuàng)造了5項“中國首次”：一是在地外天體的采樣與封裝，二是地外天體上的點火起飛、精準入軌，三是月球軌道無人交會對接和樣品轉移，四是攜帶月球樣品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統(tǒng)。

嫦娥探月的背后，是一項項技術難點的集智突破、一項項創(chuàng)新成果的破殼而生。這些科技成果架起了通往月球的天梯，讓中國人走出了一條屬于自己的探月之路。

多種方式的月面自動采樣

2020年12月2日22時，經(jīng)過約19小時的月面工作，嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣，并已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

嫦娥五號探測器成功著陸月面后，開展了太陽翼展開、機構解鎖等相關準備工作，之后就進入了“挖土”的工作模式。國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發(fā)言人裴照宇介紹，此次嫦娥五號探測器自動采樣任務采用表鉆結合、多點采樣的方式，設計了鉆具鉆取和機械臂表取兩種模式。

據(jù)介紹，鉆具鉆取主要獲得月面以下的樣品，而機械臂表取則主要獲得月球表面樣品，兩種模式互為備份。

這兩種模式并不是同時進行。首先開啟的是鉆取模式，截至2020年12月2日4時53分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝。接著，機械臂表取裝置開始在月面自動采樣并封裝，截至當日22時，嫦娥五號順利完成月球表面自動采樣，并已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。專家介紹，為確保月球樣品在返回地球過程中保持真空密閉以及不受外界環(huán)境影響，探測器在月面對樣品進行了密封封裝。

為了順利完成采樣任務，著陸器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“神器”。中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設計師彭兢介紹，機械臂表取可以想象成類似人手的裝置，在腕關節(jié)設有兩個采樣裝置，很像挖土的鏟子；鉆具鉆取則可以鉆入月球內(nèi)部，鉆取月壤巖芯。它們科學分工，精密配合，采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等各種方式，采集月壤樣品并進行密封封裝。

據(jù)中國航天科技集團五院專家介紹，嫦娥五號任務采樣裝置為全新研制，技術新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束；采樣期間面臨月面高溫的工作環(huán)境；采樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。因而采樣封裝是此次任務的核心環(huán)節(jié)之一。

月面起飛全靠航天器自力更生

完成月面工作后，嫦娥五號就踏上了歸途。從月球回家可不容易，第一步能否邁好至關重要，這要突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。

嫦娥五號上升器在月面點火起飛是一個高難度動作，這是嫦娥五號的亮點，也是任務的難點。

若飛行器在地球上發(fā)射，有專門的發(fā)射塔架，點火起飛位置經(jīng)過精確測算，飛行軌道也是一遍遍計算好的。而月面起飛就不一樣了——沒有成熟完備的發(fā)射塔架，上升器只能站在著陸器身上發(fā)射。

嫦娥五號上升器從月面起飛，不確定性非常大，可視為一次從月球發(fā)射航天器的無人試驗。能否成功起飛關系到后面交會對接能否順利實現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)是交會對接的起點，需要上升器精確瞄準交會對接的軌道器和返回器組合體。

正如彭兢所言：“這個位置可能會存在一定的偏差，不像在地球表面上一樣可以精確到米，在月球上現(xiàn)在的指標可能就是百米量級，這些誤差都會影響入軌的精度。”

中國航天科技集團五院專家介紹，面對傾斜發(fā)射的技術難題，需要明確起飛穩(wěn)定性的各項因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現(xiàn)精確入軌，必須通過大量地面仿真和試驗對起飛上升發(fā)動機開展驗證。但月面環(huán)境的特殊性，低重力、高真空等環(huán)境模擬使得地面驗證較為困難。

經(jīng)過一系列技術攻關，嫦娥五號科研團隊開展了一系列試驗驗證，建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)，實現(xiàn)了嫦娥五號上升器起飛時自主定位、定姿，護送上升器離開月球。

人類首次月球軌道無人交會對接

嫦娥五號上升器從月面起飛后，將飛到月球軌道上。但要它憑借一己之力將月球樣品送回地球，卻非易事。它需要在月球軌道上與軌道器、返回器組合體交會對接，把樣品交給返回器，讓其完成接下來的旅程。

20世紀70年代，蘇聯(lián)成功實施了3次無人月球采樣任務，先后利用月球16號、20號、24號探測器，一共從月球取回300多克樣品。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹，蘇聯(lián)采用探測器從月面起飛直接返回地球的方案，探測器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力極為有限。

經(jīng)過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會對接技術，但是在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接，不僅在我國尚屬首次，而且也是人類航天史上的第一次，這給中國航天科技集團五院科研團隊帶來了極大挑戰(zhàn)。

2020年12月1日，在北京航天飛行控制中心，航天科技人員正在監(jiān)測嫦娥五號探測器工作狀態(tài)（圖/新華社）

據(jù)了解，嫦娥五號月球軌道交會對接采用?？孔ゲ妒浇粫臃绞剑覠o衛(wèi)星導航信號支持，對接和樣品轉移過程自主性要求很高。這需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計。

同時，月球軌道交會對接過程中，地面測控支持能力受到對接機構大小的限制，對接精度的要求較高。此外，嫦娥五號對接機構中必須考慮樣品轉移裝置的設計，保證對接精度滿足樣品轉移相關要求。對接機構與樣品轉移機構一體化設計也是難點。

從上升器進入環(huán)月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移為止，設計師為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作，力助嫦娥五號精準完成樣品接力。

帶著月壤高速返回地球

近地軌道航天器再入返回大氣層時，速度通常為約7.9公里/秒的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風馳電掣般向地球飛來，速度接近11.2公里/秒的第二宇宙速度。以這樣的速度返回地球，如果不能“踩上一腳急剎車”，返回器會在大氣層中燒蝕殆盡。

然而，返回器減速可不像開車踩剎車那么簡單。嫦娥五號返回器采用了半彈道跳躍方式，就像在大氣層表面“打水漂”——讓返回器先高速進入大氣層，隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

這是生死一“跳”。如果“跳”成功，返回器速度會降到第一宇宙速度，后面的過程就輕車熟路了。

即使采用半彈道跳躍方式返回，返回器再入大氣層仍然會面臨熱控方面的挑戰(zhàn)。返回器再入速度快、時間長，表面溫度最高可超過2000攝氏度，如果傳導到內(nèi)部，將對攜帶的月壤樣品產(chǎn)生影響。

為此，中國航天人采取了一系列措施來保證嫦娥五號返回器平安回家——

巧妙設計返回器外形。返回器就像一個窩頭，側面挖一個洞，洞里面就是推力器。在大氣層飛行時，返回器不僅會受到阻力，也會產(chǎn)生一定升力?？恐@一點點升力，返回器就能成功實現(xiàn)半彈道跳躍方式返回。

為返回器披上“防熱服”。返回器采用蜂窩結構防熱層，里面填充了新型耐燒蝕材料。在氣動加熱導致溫度升高時，這種新型材料能讓返回器與熱流有效隔絕。

自主飛行過“黑障”。返回器兩次高速進入大氣層都會產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象。高速摩擦會使返回器表面氣化，產(chǎn)生等離子鞘套，屏蔽了返回器與地面的聯(lián)系。雖然“黑障”過程中天地通信中斷，但并不意味著返回器會失控，一些重要指令在進入“黑障”前已經(jīng)寫入返回器，返回器可以按照預設內(nèi)容來執(zhí)行指令。

2020年12月17日，工作人員在搬運嫦娥五號返回器（圖/新華社）

2020年12月17日，科研人員打開嫦娥五號返回器艙門，取出裝有月球樣品的容器并進行稱重（圖/新華社）

回收開傘成功率更高。在距地面10多公里處，返回器需要借助降落傘進行回收著陸。研究人員為它量身打造了輕小型化回收系統(tǒng)，通過優(yōu)化降落傘的結構設計、采用先進材料和制造技術，實現(xiàn)與傘衣連接的傘繩在承受力度不變的前提下減重20%以上；為確保安全可靠，在彈傘、脫傘等環(huán)節(jié)上都設計了備用方案，以實現(xiàn)“雙保險”。多管齊下，確保第一時間回收返回器。

地外天體樣品儲存、分析和研究拉開序幕

帶著約1731克月球“土特產(chǎn)”，嫦娥五號奔走38萬公里后凱旋。這標志著嫦娥五號任務由工程實施階段正式轉入科學研究階段，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究拉開序幕。

對探月工程技術人員來說，嫦娥五號回家意味著此次探月工程任務圓滿完成，但對地面應用系統(tǒng)的科學家來說，月球樣品的科學研究工作才剛剛開始。

中國科學院國家天文臺研究員、探月工程三期副總設計師李春來介紹，嫦娥五號的采樣點選擇了風暴洋東北角的玄武巖區(qū)域，這是全新的采樣區(qū)域，全新的樣品研究，對月球表面的風化作用、火山作用和區(qū)域地質背景、區(qū)域地質演化方面應該能作出很多科研貢獻。

“土特產(chǎn)”怎么用？吳艷華介紹，嫦娥五號帶回的月球樣品包括三類用途：第一類是最主要的，就是進行科學研究；第二類，為了能早一點與公眾見面，有一部分樣品將入藏國家博物館，向公眾展示，進行科普教育；第三類，依據(jù)國際合作的公約和多邊雙邊的合作協(xié)議，我國將發(fā)布月球樣品和數(shù)據(jù)管理辦法，與有關國家科學家共享，也有一部分按照國際慣例，作為國禮相送。

“大部分樣品會用于科學研究，科研工作者會在實驗室進行長期、系統(tǒng)的月球樣品研究工作，包括結構構造、物理特性、化學成分、同位素組成、礦物特點和地質演化等方面?！崩畲簛斫榻B道。

在中國科學院國家天文臺月球與深空探測研究部，我國首個月球樣本實驗室已“萬事俱備”，月球樣品的存儲、管理和研究工作將在這里進行。

月壤樣品呈粉末狀，易受到地球物質污染，因此月球樣本操作必須極其嚴謹規(guī)范。“一是采用科學的方法，制定科學的規(guī)范和方案，保證結果可信；二是利用最精密的儀器進行實驗，并且使用最少量的樣品展開研究，讓樣本發(fā)揮最大功效?！辨隙鹞逄柸蝿盏孛鎽孟到y(tǒng)副總指揮張洪波說。

此外，除了中科院國家天文臺作為月壤主要存儲地點外，樣品還在毛主席的故鄉(xiāng)——湖南韶山進行了異地災備，以告慰毛主席生前“可上九天攬月”的夙愿。

探月工程四期和行星探測工程將接續(xù)實施

既是收官之作，又是奠基之作。

以嫦娥五號任務圓滿成功為起點，我國探月工程四期和行星探測工程將接續(xù)實施。

2021年是“十四五”規(guī)劃的開局之年，吳艷華表示，在“十四五”乃至今后一個時期，中國航天將實施一系列重大工程任務。

圍繞月球探測主題，基本規(guī)劃確定探月工程四期，總共包括4次任務。第1次任務是嫦娥四號月球背面著陸巡視探測。第2次任務是嫦娥六號將進一步優(yōu)化論證工程目標和科學目標。規(guī)劃當中還有嫦娥七號和嫦娥八號任務。吳艷華表示，將以此為契機，與有關國家和國際組織合作，共同論證初步建設月球科研站的基本能力或者驗證核心技術。

關于行星探測的規(guī)劃也基本明晰。首次火星探測任務天問一號于2020年7月23日在文昌成功發(fā)射，按照預定計劃，今年2月中旬到達火星，開始繞火探測。2021年5月中旬，計劃著陸火星巡視探測。此外，還規(guī)劃了3次行星探測任務，包括一次小行星的探測和取樣，一次火星的采樣返回以及一次木星系環(huán)繞探測和行星穿越探測。

此外，在載人航天領域，吳艷華透露，按照“三步走”的規(guī)劃，今年、明年計劃完成空間站共計11次發(fā)射任務。在運載火箭方面，將充分利用長征五號、長征六號、長征七號新一代運載火箭技術，完善無毒無污染新型火箭序列，保證新一代運載火箭能夠形成序列化，滿足各種軌道、各種重量飛行器的發(fā)射任務。同時對于重型運載火箭的研制，科研團隊正在進行關鍵技術攻關和方案的迭代優(yōu)化論證。

吳艷華表示，“十四五”時期要繼續(xù)大力發(fā)展國家民用空間基礎設施，廣泛為國民經(jīng)濟各領域提供強大的支撐保障能力。同時，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，國家民用空間基礎設施還將為大眾生產(chǎn)生活提供更為優(yōu)質的產(chǎn)品和服務。

我國首個月球樣品實驗室（圖/中新網(wǎng)）