2020 年 11 月 24 淩晨，長征五号遙五運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空，在破曉中劃出一道金色弧線，成功将"嫦娥五号"月球探測器送入地月轉移軌道。嫦娥五号任務是我國今年航天發射的重磅任務，更是中國探月工程"繞、落、回"三步走的最後一步 , 将實現包括我國首次月球無人采樣返回在内的一系列高難度任務。據介紹，嫦娥五号探測器是迄今為止我國研制的最為複雜的航天器系統，由軌道器、返回器、着陸器、上升器 4 器組成，也是我國目前發射的重量最重的月球探測器。這麼多首次疊加在一起，意味着本次任務難度非常高，可謂"步步驚心"，同時看點也是層出不窮。在嫦娥五号任務發射之前，環球時報 - 環球網記者走進文昌航天發射場，聽多位航天專家權威解讀嫦娥五姑娘的本次探月之旅。

看點一：長五發嫦五——本年度最有"分量"的發射

據國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關鋒介紹，探月工程三期是我國探月工程重大科技專項"繞、落、回"三步走戰略的最後一步，将實現月球采樣返回。三期工程規劃實施兩次采樣返回，在嫦娥五号任務之後，後續還有嫦娥六号任務。同時為了降低飛行任務的風險，已成功進行了一次再入返回試驗。嫦娥五号任務是我國迄今最複雜、難度最大的航天任務之一。

國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五号任務新聞發言人裴照宇表示，嫦娥五号任務有望創造 5 個"中國首次"：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲、分析和研究，這在我國都是首次。

除了意義重大，這次任務運載火箭和搭載的乘客也是"分量"十足。據專家介紹，嫦娥五号月球探測器重達 8.2 噸，是我國目前發射的重量最重的月球探測器。作為我國探月三期工程采樣返回任務的核心，由中國航天科技集團研制的嫦娥五号探測器是迄今為止我國研制的最為複雜的航天器系統，由軌道器、返回器、着陸器、上升器 4 器共包含 15 個分系統組成。而嫦娥五号探測器需要直接被送入近地點 200 公裡、遠地點 41 萬公裡的地月轉移軌道，"在長征火箭家族中，隻有長征五号運載火箭可以将這麼重的載荷直接送入地月轉移軌道，這是對運載火箭能力的集中檢驗，也是對中國航天能力的最佳注解。"長征五号火箭第一總指揮、航天科技集團一院黨委書記李明華介紹稱。

據統計，這是長征五号系列運載火箭第六次發射，也是 2020 年第三次執行發射任務。2020 年 5 月 5 日，長征五号 B 遙一火箭成功首飛；7 月 23 日，長征五号遙四運載火箭成功發射 "天問一号"火星探測器。

此前美蘇也曾進行過月球采樣返回，本次任務有什麼異同呢？航天科技集團五院嫦娥五号探測器系統副總設計師彭兢介紹，人類過去的采樣返回任務要麼是載人登月，通過宇航員攜帶不同的工具去采樣，然後将樣品帶回來。或者像蘇聯用一個單一的采樣裝置去采樣，每次采樣量大概一兩百克。中國這次瞄準的是采到公斤級樣品。

嫦娥五号探測器在軌工作效果圖，航天八院供圖。

看點二：嫦娥五号的"四大護法"長什麼樣

航天科技集團五院嫦娥五号探測器系統副總設計師彭兢介紹，嫦娥五号探測器總共有四部分組成，總重量 8200 公斤，四器形式上有點像穿糖葫蘆，從上到下依次是上升器，着陸器、返回器和軌道器，這四部分在發射時組成一個探測器整體，高度大約 7 .2 米左右。在飛行過程中，根據不同的任務階段會組合成不同的形式。從名字上大概也能看出來四器分别的用途。上升器主要功能是攜帶在月面收集到的樣品從月球表面起飛，起飛以後進入環繞月球軌道後，它會作為目标飛行器，由軌返組合體和它進行交會對接，完成之後再把樣品轉移到返回器裡面。着陸器顧名思義就是要在月球表面着陸，它的主要功能包括攜帶上升器以着陸上升組合體的形式落在月面。着陸後，它最重要的工作就是分别由鑽取和表取方式完成月球表面的采樣并完成封裝。返回器的功能就是當完成交會對接、樣品轉移到返回器之後，由它攜帶樣品返回地球。

在談到軌道器的功能時，彭兢說，它主要是承擔在不同軌道上飛行的任務，比如在發射時，它會攜帶其他三器，完成地球到月球的飛行，也就是地月轉移。到了月球之後，軌道器要刹車，通過減速制動，使得四個部分組成的探測器整體進入環繞月球軌道，并且在軌道上軌道器要和返回器構成一個組合體和着陸上升器分開，着陸上升器去着陸，而軌道器返回器要留在軌道上，等待上升器攜帶樣從月面起飛進入月球軌道，然後在月球軌道的飛行過程中，它要進行交互對接的準備工作。完成交會對接和樣品轉移之後，它将在環月軌道上攜帶返回器飛行一段時間。等待合适時機，軌道器會攜帶返回器，加速完成從月球飛向地球的過程，也就是月地轉移。回到地球附近之後，軌道器會釋放返回器，返回器攜帶樣品回到地球。軌道器會在地面控制下完成規避機動，确保返回器能夠安全着陸，然後它會進入一個環繞地球的大橢圓軌道，等待後續處置。

看點三：采樣區域選擇大有講究

據國家航天局介紹，嫦娥五号任務的采樣區域是在月球正面風暴洋西北部，采樣方式是機械臂表取和鑽地鑽取的方式，采樣量約兩公斤，月面工作時間約兩天。

那去月球表面采樣有哪些重要意義呢？中國地質大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍對媒體介紹，月壤是研究月球的樣本，由月球岩石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用後形成，其中有大量的月球岩石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質，既可以了解月球的地質演化曆史，也可以為了解太陽活動等提供必要的信息。

全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩告訴《環球時報》記者，探測月球有 3 種常用方法：一是環繞探測，二是着陸和巡視探測，三是采樣返回探測。從技術層面看，3 種空間探測方式每一步都是對前一步的深化，并同時為下一步奠定基礎。完成月球采樣返回任務，需要經曆一個全面、精細、深入的科學探測過程，可以突破一系列關鍵技術，并為今後載人登月和月球科研站選址等提供有關數據、奠定技術基礎。

本次任務的采樣地點選擇在風暴洋西北部有哪些考量呢？航天科技集團五院嫦娥五号探測器系統副總設計師彭兢介紹稱，嫦娥五号任務的着陸地點就在月球正面風暴洋西北部，這個位置過去還沒有人類探測器，無論着陸還是載人的，還是返回的，都沒有去過。科學家根據目前的研究成果，認為這塊區域形成的地質年代比較年輕。相比過去已經帶回到地球的樣品和從地面開展的研究來講，如果能夠将這塊區域的樣品帶回實驗室進行分析，能夠幫助人類更好地認識月球形成過程。同時，選擇在暴風洋西北部采樣也有從工程實現角度來考慮的因素。

為什麼要采用兩種采樣方式呢？彭兢表示，從完成任務本身來講，過去人類曆史上無人月球采樣，隻有蘇聯用鑽取方式，他們的鑽頭中間是一個中空結構，通過把鑽頭深入到月球表面以下，然後中空的管子裡邊能夠取樣。那麼我們過了幾十年再采樣的話，當然也可以在蘇聯已經使用的這種鑽取采樣的基礎上，提高技術水平，比如說采更多的樣，還有另外一種方式就是換一種采樣方式，然後獲得不同的樣品。所以從這個角度考慮，我們認為單一的采樣方式獲取的樣品形式種類和總量等方面受限制比較多，用兩種方式能夠獲得更多種類、更多數量的樣品。另外我們從工程本身來講，設計鑽取和表取這兩種方式，可以互為備份。

看點四： "五姑娘"采樣返回要過 N 道關

嫦娥五号被"胖五"成功送入地月轉移軌道，這是本次任務系列步驟中的第一步，後續它還将在 20 多天中突破層層技術難關并最終完成采樣返回。這一點從嫦娥五号任務的衆多關鍵節點就可見一斑。據國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關鋒介紹，嫦娥五号任務在文昌航天發射場用長征五号運載火箭直接将探測器送入地月轉移軌道，探測器與火箭分離之後，将完成地月轉移、近月制動進入環月軌道，在環月軌道上四器要進行第一次分離，着陸器上升器組合體（"着上組合體"）與軌道器返回器組合體（"軌返組合體"）進行分離，着上組合體将降落在月球正面風暴洋西北部區域，之後在 48 小時之内通過機械臂表取與鑽地鑽取兩種方式共采集月面的土壤和岩石樣品約兩公斤，同時進行科學探測。完成采樣和封裝後，上升器在月面起飛，與位于月球軌道上的軌返組合體進行交會對接，并将樣品容器轉移到返回器内，随後軌返組合體與上升器分離，在預定時機加速進入月地轉移軌道，飛行至地球約 5000 公裡高度時，軌道器和返回器再次進行分離，返回器以半彈道、跳躍式返回地球，距離地面 10 公裡高度時，返回器開傘着陸于内蒙古四子王旗預定着陸區域。地面搜索回收力量在兩天内完成地面回收。整個過程曆時 23 天左右。

《環球時報》從航天科技集團五院了解到，發射成功後，嫦娥五号将經過 11 個階段，20 餘天的在軌飛行過程，飛行程序非常複雜，技術性能要求嚴格。據專家介紹，嫦娥五号探測器任務技術難點主要表現在多個關鍵環節。關鍵一：軌道設計複雜。嫦娥五号探測器飛行階段多，各階段軌道方案耦合緊密，軌道設計受到測控、運載和着陸場的限制，約束條件多，各飛行階段軌道在控制和測定軌精度能力有限的情況下，匹配精度要求高；飛行過程還涉及月球軌道交會對接、月地轉移等新的飛行階段，飛行過程複雜，軌道設計難度大。關鍵二：月面采樣封裝技術新。采樣封裝是嫦娥五号月球無人采樣返回任務的核心環節之一。月面采樣封裝任務采用表鑽結合，多點采樣的方式，采樣裝置為全新研制，技術新、難度大。關鍵三：月面起飛上升驗證難。上升器基于着陸平台的月面起飛需解決月面起飛初始基準與起飛平台姿态不确定、發動機羽流導流空間受限、地月環境差異帶來的驗證技術難度大等問題。關鍵四：月球軌道交會對接與樣品轉移自主性要求高。與近地軌道交會對接不同，嫦娥五号月球軌道交會對接任務，對對接和樣品轉移過程自主性要求高。需要在考慮各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計；同時，月球交會對接過程中，地面測控支持能力受限，受到對接機構大小的限制，對接精度的要求較高。

圖片來源：國家航天局

看點五：回家之路仍有挑戰

根據國家航天局的介紹，本次任務采用半彈道、跳躍式返回，着陸區域為内蒙古四子王旗相關區域，2014 年 10 月曾成功試驗了飛行器以第二宇宙速度再入返回，驗證了氣動力、氣動熱防護、制導導航與控制等多項關鍵技術，為嫦娥五号任務奠定了堅實的基礎。

據彭兢介紹，從宏觀上講，嫦娥五号任務的返回器跟 2014 年驗證試驗時返回器狀态是一緻的。因為那次飛行試驗的目的就是為了驗證返回器能夠以第二宇宙速度，也就是 11 公裡每秒這個量級的速度，返回地球大氣這樣一個過程，這裡邊涉及到的氣動、防熱、控制等一系列複雜關鍵技術。2014 年成功驗證之後，使得我們對完成嫦娥五号任務有了更多信心。前提條件就是能夠充分繼承那此試驗中返回器的狀态，但實際上這兩個返回器還是有一些細微差别的。主要就是因為這次返回器要接收從月球表面起飛帶上來的月球樣品，所以多了一個返回艙，而且艙是一個機構，這個艙要保證在交互對接的時候打開，能夠确保樣品容器能夠進入到艙裡面，在返回地球過程中還要保證這個艙門可以關上以保護樣品。針對這些差别，研制人員已經做了大量地面試驗。

而其中再入返回隻是返回器回地球的最後一步，在此之前還有一個關鍵節點——高精度月地入射。《環球時報》記者從航天科技集團五院了解到，月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌返組合體進入月地轉移軌道，由于月地關系的不斷變化，月地入射窗口及入射點位置均受到嚴格約束，為理論上的零窗口；同時，月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點精度，影響返回器的安全着陸，控制精度要求高。而在完成高精度月地入射之後，飛行器将迎來回家之旅又一個關鍵點——以第二宇宙速度再入返回地球大氣。

據航天專家介紹，"半彈道跳躍式飛行"增加了在大氣層的"一出一入"，可以消耗掉返回器的部分能量，從而減小着陸速度，拉長航程，有利于選擇降落區。

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來源： 環球時報 - 環球網

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