嫦娥五號(hào)月球“挖土”歸來

探測(cè)月球具有重大的科技、政治和經(jīng)濟(jì)等意義，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，綜合國力的提高，我國在開展人造地球衛(wèi)星和載人航天之后與時(shí)俱進(jìn)，經(jīng)過從1990年代初到2004年約10年的醞釀，于2004年適時(shí)開展了一系列以月球探測(cè)為起點(diǎn)的深空探測(cè)活動(dòng)。本著循序漸進(jìn)、分步實(shí)施、不斷跨越的原則，制定了作為國家重大科技專項(xiàng)的中國月球探測(cè)計(jì)劃，計(jì)劃分“繞、落、回”三個(gè)階段實(shí)施[1]，預(yù)定2020年前后完成。

第一階段為繞月探測(cè)，即在2007年起發(fā)射繞月探測(cè)器。原定由嫦娥一號(hào)、二號(hào)完成，二號(hào)作為一號(hào)的備份。后因一號(hào)表現(xiàn)出色，二號(hào)就改為第二階段的技術(shù)先導(dǎo)星。第二階段為落月探測(cè)，即在2013年起發(fā)射攜帶月球車的落月探測(cè)器。原定由嫦娥三號(hào)、四號(hào)完成，四號(hào)是三號(hào)的備份。后因三號(hào)表現(xiàn)出色，四號(hào)改為執(zhí)行探月第四階段任務(wù)，并增加了發(fā)射嫦娥二號(hào)技術(shù)先導(dǎo)星，用于先行試驗(yàn)嫦娥三號(hào)需要的六大關(guān)鍵技術(shù)。第三階段為采樣返回探測(cè)，即在2020年發(fā)射月球采樣返回器，在月球表面特定區(qū)域軟著陸并采樣，然后將月球樣品帶回地球。原定由嫦娥五號(hào)、六號(hào)完成，六號(hào)是五號(hào)的備份?，F(xiàn)在，六號(hào)改為執(zhí)行探月第四階段任務(wù)，并增加了發(fā)射嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器（簡(jiǎn)稱嫦娥五號(hào)T1），用于突破和掌握嫦娥五號(hào)以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。

由此看出，“嫦娥工程”的每一步都是對(duì)前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)：繞月探測(cè)是對(duì)月球進(jìn)行全球性綜合普查；落月探測(cè)是對(duì)著陸區(qū)附近進(jìn)行區(qū)域性詳查，包括原位探測(cè)和巡視探測(cè)；采樣返回探測(cè)是對(duì)月球進(jìn)行區(qū)域性精查，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室對(duì)月球樣品進(jìn)行詳細(xì)研究。

目前，作為探月計(jì)劃第三階段工程主要任務(wù)的采樣返回已順利完成，取回了約1731克月球樣品供科學(xué)家研究[2]。該階段任務(wù)通過先后發(fā)射嫦娥五號(hào)T1和嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)。它可推動(dòng)進(jìn)一步對(duì)月球狀態(tài)、物質(zhì)含量等重要信息的了解，深化對(duì)月壤、月殼和月球形成演化的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，為以后的載人登月和月球基地選址提供有關(guān)數(shù)據(jù)。

序曲：嫦娥五號(hào)T1

嫦娥五號(hào)月球采樣返回的過程，與返回式衛(wèi)星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9千米/秒（第一宇宙速度）返回不同，嫦娥五號(hào)返回器必須以11千米/秒（接近第二宇宙速度）返回再入大氣層。返回器再入速度提高一倍，再入產(chǎn)生的熱量將提高8～9倍，所以如果以11千米/秒速度直接再入返回返回器容易被燒毀，而且過載太大，會(huì)對(duì)返回器結(jié)構(gòu)要求很高。為降低工程風(fēng)險(xiǎn)，確保嫦娥五號(hào)采樣返回任務(wù)精確完成，率先發(fā)射號(hào)稱“飛哥”的嫦娥五號(hào)T1空間飛行器，以掌握返回器超高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。由服務(wù)艙和返回器兩部分組成的嫦娥五號(hào)T1總重量為2噸多，返回器安裝在服務(wù)艙上部。其中返回器用鐘罩側(cè)壁加球冠大底構(gòu)型，重量約330千克，具備返回著陸功能，與嫦娥五號(hào)的返回器基本一致。

2014年10月24日，嫦娥五號(hào)T1升空。它先飛抵月球附近，然后自動(dòng)返回地球，最終，其返回器于同年11月1日采用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層，在預(yù)定區(qū)域順利著陸。這是我國航天器首次繞月飛行后再入返回地球，也是世界上第3個(gè)成功回收繞月航天器的國家，表明我國已突破和掌握航天器超高速再入返回技術(shù)。

嫦娥五號(hào)登場(chǎng)

對(duì)我國而言，嫦娥五號(hào)任務(wù)中有許多環(huán)節(jié)是首次實(shí)施，也是我國迄今為止系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的航天工程，要面對(duì)許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

嫦娥五號(hào)的工程目標(biāo)：一是突破月面自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移、地球大氣高速再入、多目標(biāo)高精度測(cè)控、月球樣品儲(chǔ)存等關(guān)鍵技術(shù)。二是實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回。三是完善探月工程體系，為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。其科學(xué)目標(biāo)：對(duì)著陸區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，對(duì)月球樣品進(jìn)行分析研究。

2020年11月24日，我國用長征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射了8.2噸的嫦娥五號(hào)月球采樣返回探測(cè)器，把它直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道；探測(cè)器在月球表面特定區(qū)域軟著陸后進(jìn)行了分析采樣；然后通過上升、月地轉(zhuǎn)移和返回等一系列過程，在升空23天后把月球樣品帶回地球。我國成為世界第3個(gè)能在月球采樣返回地球的國家。

嫦娥五號(hào)由上升器、著陸器、軌道器、返回器四部分組成，各部分像糖葫蘆一樣被“串”在一起。從發(fā)射到返回的過程里，它總共經(jīng)歷了23次重大的軌道控制和6次重大的分離控制，以及動(dòng)力下降、月面起飛和交會(huì)對(duì)接等風(fēng)險(xiǎn)較高的項(xiàng)目環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)相當(dāng)精妙復(fù)雜，類似穿梭在太空中的變形金剛。

從發(fā)射入軌到返回器再入回收，嫦娥五號(hào)共歷經(jīng)了11個(gè)重大飛行階段。

發(fā)射入軌

2020年11月24日4時(shí)30分，嫦娥五號(hào)由長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭發(fā)射，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開啟探月返回旅程。

地月轉(zhuǎn)移

嫦娥五號(hào)完成器箭分離，并展開探測(cè)器上的太陽能電池翼后，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道飛行約112小時(shí)。11月24日22時(shí)6分、25日22時(shí)6分，通過軌道器上的1臺(tái)3000牛和2臺(tái)150牛發(fā)動(dòng)機(jī)分別工作2秒和6秒，先后進(jìn)行了2次中途修正，并檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

近月制動(dòng)

11月28日20時(shí)58分、29日20時(shí)23分，通過2次啟動(dòng)軌道器上推力3000牛的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了制動(dòng)減速，嫦娥五號(hào)先進(jìn)入近月點(diǎn)400千米的橢圓環(huán)月軌道，后進(jìn)入200千米近圓形環(huán)月軌道。

環(huán)月飛行

11月30日4時(shí)40分，嫦娥五號(hào)的軌道器—返回器組合體（簡(jiǎn)稱軌道返回組合體）和著陸器—上升器組合體（簡(jiǎn)稱著陸上升組合體）在環(huán)月軌道上分離。著陸上升組合體進(jìn)行了2次降軌、變軌，進(jìn)入了近月點(diǎn)15千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)200千米的著陸準(zhǔn)備軌道進(jìn)行環(huán)月飛行，擇機(jī)著陸。軌道返回組合體繼續(xù)在200千米高環(huán)月軌道飛行，等待與上升器交會(huì)對(duì)接。

著陸下降

12月1日22時(shí)57分，通過啟動(dòng)著陸器上的7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等，著陸上升組合體相對(duì)月球速度從約1.7 千米/秒降為零，于23時(shí)11分在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預(yù)選著陸區(qū)軟著陸。

著陸區(qū)在月球正面最大的月海暴風(fēng)洋北部呂姆克山脈附近。風(fēng)暴洋地體相對(duì)較年輕，富集鈾、釷、鉀等放射性元素，存在距今20億～13億年的玄武巖，對(duì)其研究將有利于推進(jìn)對(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí)。

月面工作

12月2日22時(shí)整，著陸上升組合體完成月壤的鉆取、表取及封裝，用時(shí)僅19個(gè)小時(shí)（原定2天）。同時(shí)，著陸上升組合體與軌道返回組合體，為月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移做好了萬全的準(zhǔn)備。著陸器上還攜有一套全景相機(jī)系統(tǒng)、月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀和月球礦物光譜分析儀[3]，其中相機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)表取采樣區(qū)域成像、表取采樣過程監(jiān)視和協(xié)作；月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀用于繪制地下表面圖的穿地雷達(dá)；月球礦物光譜分析儀用于對(duì)采樣區(qū)進(jìn)行光譜探測(cè)和礦物組成分析，測(cè)定著陸點(diǎn)處礦物組成并計(jì)算月壤中被鎖定的水分含量。

月面上升

12月3日23時(shí)10分，經(jīng)過2天月面工作后，攜帶月球樣品的上升器在著陸器上起飛，這是我國空間飛行器第一次在地外天體起飛。上升器上的3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作約6分鐘，在經(jīng)歷了垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道射入等過程后，上升器進(jìn)入相應(yīng)的環(huán)月飛行軌道。此次月面發(fā)射的窗口期很短，上升器和軌道返回組合體要精準(zhǔn)考慮測(cè)控需求、光照需求以及姿態(tài)控制要求，以確保交會(huì)對(duì)接順利完成。

起飛前，著陸上升組合體實(shí)現(xiàn)了月面國旗展開以及上升器、著陸器的解鎖分離。國旗展示系統(tǒng)質(zhì)量1千克，國旗質(zhì)量12克，大小如A4紙一樣，采用芳綸材料，可在正負(fù)150℃環(huán)境下不變色。

交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移

進(jìn)入環(huán)月軌道飛行的上升器，分別在12月4日和5日通過遠(yuǎn)程導(dǎo)引，以及6日通過近程導(dǎo)引技術(shù)，于6日5時(shí)42分，與在200千米高度飛行的軌道返回組合體完成交會(huì)對(duì)接；6時(shí)12分，上升器中存放的月球樣品通過軌道器轉(zhuǎn)移到返回器中。

環(huán)月等待

12月6日12時(shí)35分，軌道返回組合體與上升器在月球軌道成功分離。完成對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移后，上升器就被拋離，軌道返回組合體進(jìn)入為期6天的環(huán)月等待飛行，等待月地入射窗口的到來，其目的是進(jìn)入能量最優(yōu)月地轉(zhuǎn)移軌道，全力以赴做好返回地球的準(zhǔn)備。

月地轉(zhuǎn)移

2020年12月12日9時(shí)54分，軌道返回組合體在經(jīng)歷了約6天的環(huán)月等待后，實(shí)施了第一次月地轉(zhuǎn)移入射，從近圓形軌道進(jìn)入近月點(diǎn)高度約200千米的橢圓軌道。12月13日9時(shí)51分，軌道返回組合體實(shí)施第二次月地轉(zhuǎn)移入射，在距月面約230千米處成功點(diǎn)火4臺(tái)150牛發(fā)動(dòng)機(jī)，約22分鐘后，發(fā)動(dòng)機(jī)正常關(guān)機(jī)，軌道返回組合體成功進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。12月14日11時(shí)13分、16日9時(shí)15分，軌道返回組合體上2臺(tái)25牛發(fā)動(dòng)機(jī)先后工作28秒和8秒，順利完成2次月地轉(zhuǎn)移軌道修正。

再入回收

12月17日凌晨1時(shí)許，距離地球5000千米高度時(shí)，軌道器協(xié)助返回器建立再入返回姿態(tài)，隨后與返回器分離。軌道器順利執(zhí)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。在完成既定主任務(wù)后，軌道器開展拓展任務(wù)，啟程飛往距離地球約150萬千米的日地拉格朗日L1點(diǎn)。返回器準(zhǔn)備再入返回地球。1時(shí)33分，在距地面高度約120千米處，返回器以接近第二宇宙速度再入地球大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。下降至距離地面60千米高時(shí)，通過半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，重新向上躍出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)后開始滑行下降，以第一宇宙速度再次進(jìn)入大氣層，實(shí)施第2次氣動(dòng)減速。降至距地面約10千米高度時(shí)，返回器打開主降落傘，完成最后減速，并保持姿態(tài)穩(wěn)定，于17日1時(shí)59分在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域成功著陸。

嫦娥五號(hào)的5個(gè)“首次”

為了完成這次月球采樣返回任務(wù)，嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國開展航天活動(dòng)以來5個(gè)“首次”的突破。這5個(gè)“首次”既是亮點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

首次在月面自動(dòng)采樣

著陸器上的采樣裝置需要具備在月球低重力環(huán)境下鉆孔、鏟土和輸送等能力。取樣完成后要封裝，不能有任何污染。著陸器上有兩種用于采樣的機(jī)械手：一種是鉆取器，它可以鉆取月面下約2米深度的月巖樣本（由于遇到比較密實(shí)的石頭顆粒，所以沒有鉆到2米深），鉆取的月壤不會(huì)破壞原有層次結(jié)構(gòu)。另一種是電鏟，用于表取，即在月球表面鏟取月壤。盡管在地球上，機(jī)械手能在模擬月球重力環(huán)境的試驗(yàn)條件下做出精確動(dòng)作，但相比真實(shí)的月球重力環(huán)境依舊存在誤差，這是一次很大的挑戰(zhàn)。

首次從月面起飛

采集的樣品封裝到上升器后，上升器從著陸器上起飛。這是我國空間飛行器第一次在地外天體起飛。上升器起飛時(shí)噴射的火焰會(huì)碰到著陸器，從而可能產(chǎn)生干擾上升器的力。另外，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)，也無法像在地球上的發(fā)射塔架那樣配置火箭導(dǎo)流槽，所以要攻克月面起飛的軌道設(shè)計(jì)、月面起飛測(cè)控和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流等難關(guān)。

首次在38萬千米外月球軌道上完成無人交會(huì)對(duì)接

攜帶月球樣品的上升器起飛后，要在月球軌道與軌道返回組合體進(jìn)行無人交會(huì)對(duì)接，并把采集的樣品轉(zhuǎn)移到返回器中，這在世界上也是首次。我國在地球軌道上有著比較成熟的航天器交會(huì)對(duì)接經(jīng)驗(yàn)，多次采用“小追大”的模式，即小質(zhì)量飛船追大質(zhì)量“天宮”。但在月球軌道上交會(huì)對(duì)接要“大追小”，即裝有較多燃料的大質(zhì)量軌道返回組合體追小質(zhì)量上升器，而且距離地球幾十萬千米，稍微控制不好就會(huì)偏離到太空中，或撞開上升器。

為防止大質(zhì)量軌道返回組合體撞開小質(zhì)量上升器，這次采用了停靠抓捕式交會(huì)對(duì)接方式，這與載人航天對(duì)接機(jī)構(gòu)不同，從“太空之吻”變成“月軌相擁”。專家把一種稱為抱爪式空間輕小型弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)裝在軌道器上，它具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能一體化。這些設(shè)計(jì)理念是世界首創(chuàng)的。

首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球

雖然嫦娥五號(hào)T1進(jìn)行了一次試驗(yàn)，但嫦娥五號(hào)返回是一次實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)一條安全穩(wěn)妥的返回路線，這對(duì)返回器的氣動(dòng)外形、防熱材料，以及控制都將是一次新挑戰(zhàn)。

此前只有蘇聯(lián)在1970年代完成了3次無人月球采樣返回，總共帶回330克月球樣品。但蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)沒有掌握月球軌道無人交會(huì)對(duì)接技術(shù)，所以3次采樣任務(wù)都是從月面起飛后直接返回地球，因此上升器需要克服返回艙與大量燃料“死重”（重量的總和），從而極大壓縮了采樣重量。而嫦娥五號(hào)這次采用具有世界領(lǐng)先水平的月球軌道無人對(duì)接方案轉(zhuǎn)移月壤，上升器只需少量燃料，且沒有返回艙“死重”，因此采樣重量呈幾何級(jí)提高，一次就帶回1731克月球樣品。

首次建立我國月球樣品的存儲(chǔ)、分析和研究系統(tǒng)

為對(duì)自取月球樣品進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和研究，地面應(yīng)用系統(tǒng)已新增了月球樣品存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和異地容災(zāi)備份存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，新建了密云35米數(shù)據(jù)接收天線，可滿足月球樣品存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)接收、處理和解譯的任務(wù)需求。

我國探月計(jì)劃第四階段工程

嫦娥五號(hào)任務(wù)的圓滿完成標(biāo)志著“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略大功告成，但這并不是終點(diǎn)。2019年1月14日，我國宣布了探月計(jì)劃第四階段任務(wù)，第四階段的首次任務(wù)由嫦娥四號(hào)執(zhí)行，未來中國還將探測(cè)月球的兩極，建立月球科研站，最終實(shí)現(xiàn)載人登月及建立月球基地的夢(mèng)想！

（本文作者龐之浩為全國空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家，《國際太空》雜志原執(zhí)行主編，《太空探索》、《中國國家天文》雜志編委。）

[1]龐之浩，朱敏悅， 王曉宇， 等. 不斷刷新探索宇宙深空的“中國高度”——訪嫦娥-1繞月探測(cè)器總指揮兼總設(shè)計(jì)師葉培建院士.國際太空， 2016（8）： 2-11.

[2]劉錕. 嫦娥五號(hào)帶回月球樣品約1731克. 解放日?qǐng)?bào)， 2020-12-20 [2020-12-30]. https：//www.jfdaily.com/journal/showNewsDetail. htm？id=305732.

[3]甘曉. 嫦娥五號(hào)上的“中科院出品”. 中國科學(xué)報(bào)， 2020-11-25[2020-12-30]. http：//news.sciencenet.cn/ sbhtmlnews/2020/11/359032.shtm.

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