嫦娥“五姑娘”首次奔月“挖土”的五大看点

【环球时报-环球网记者 刘扬 樊巍】2020年11月24凌晨，长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，在破晓中划出一道金色弧线，成功将“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道。嫦娥五号任务是我国今年航天发射的重磅任务，更是中国探月工程“绕、落、回”三步走的最后一步, 将实现包括我国首次月球无人采样返回在内的一系列高难度任务。据介绍，嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统，由轨道器、返回器、着陆器、上升器4器组成，也是我国目前发射的重量最重的月球探测器。这么多首次叠加在一起，意味着本次任务难度非常高，可谓“步步惊心”，同时看点也是层出不穷。在嫦娥五号任务发射之前，环球时报-环球网记者走进文昌航天发射场，听多位航天专家权威解读嫦娥五姑娘的本次探月之旅。

看点一：长五发嫦五——本年度最有“分量”的发射

据国家航天局探月与航天工程中心党委副书记关锋介绍，探月工程三期是我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走战略的最后一步，将实现月球采样返回。三期工程规划实施两次采样返回，在嫦娥五号任务之后，后续还有嫦娥六号任务。同时为了降低飞行任务的风险，已成功进行了一次再入返回试验。嫦娥五号任务是我国迄今最复杂、难度最大的航天任务之一。

国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇表示，嫦娥五号任务有望创造5个“中国首次”：一是地外天体的采样与封装，二是地外天体的起飞，三是月球轨道交会对接，四是携带样品高速地球再入，五是样品的存储、分析和研究，这在我国都是首次。

除了意义重大，这次任务运载火箭和搭载的乘客也是“分量”十足。据专家介绍，嫦娥五号月球探测器重达8.2吨，是我国目前发射的重量最重的月球探测器。作为我国探月三期工程采样返回任务的核心，由中国航天科技集团研制的嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统，由轨道器、返回器、着陆器、上升器4器共包含15个分系统组成。而嫦娥五号探测器需要直接被送入近地点200公里、远地点41万公里的地月转移轨道，“在长征火箭家族中，只有长征五号运载火箭可以将这么重的载荷直接送入地月转移轨道，这是对运载火箭能力的集中检验，也是对中国航天能力的最佳注解。”长征五号火箭第一总指挥、航天科技集团一院党委书记李明华介绍称。

据统计，这是长征五号系列运载火箭第六次发射，也是2020年第三次执行发射任务。2020年5月5日，长征五号B遥一火箭成功首飞；7月23日，长征五号遥四运载火箭成功发射 “天问一号”火星探测器。

此前美苏也曾进行过月球采样返回，本次任务有什么异同呢？航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍，人类过去的采样返回任务要么是载人登月，通过宇航员携带不同的工具去采样，然后将样品带回来。或者像苏联用一个单一的采样装置去采样，每次采样量大概一两百克。中国这次瞄准的是采到公斤级样品。

看点二：嫦娥五号的“四大护法”长什么样

航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍，嫦娥五号探测器总共有四部分组成，总重量8200公斤，四器形式上有点像穿糖葫芦，从上到下依次是上升器，着陆器、返回器和轨道器，这四部分在发射时组成一个探测器整体，高度大约7 .2米左右。在飞行过程中，根据不同的任务阶段会组合成不同的形式。从名字上大概也能看出来四器分别的用途。上升器主要功能是携带在月面收集到的样品从月球表面起飞，起飞以后进入环绕月球轨道后，它会作为目标飞行器，由轨返组合体和它进行交会对接，完成之后再把样品转移到返回器里面。着陆器顾名思义就是要在月球表面着陆，它的主要功能包括携带上升器以着陆上升组合体的形式落在月面。着陆后，它最重要的工作就是分别由钻取和表取方式完成月球表面的采样并完成封装。返回器的功能就是当完成交会对接、样品转移到返回器之后，由它携带样品返回地球。

在谈到轨道器的功能时，彭兢说，它主要是承担在不同轨道上飞行的任务，比如在发射时，它会携带其他三器，完成地球到月球的飞行，也就是地月转移。到了月球之后，轨道器要刹车，通过减速制动，使得四个部分组成的探测器整体进入环绕月球轨道，并且在轨道上轨道器要和返回器构成一个组合体和着陆上升器分开，着陆上升器去着陆，而轨道器返回器要留在轨道上，等待上升器携带样从月面起飞进入月球轨道，然后在月球轨道的飞行过程中，它要进行交互对接的准备工作。完成交会对接和样品转移之后，它将在环月轨道上携带返回器飞行一段时间。等待合适时机，轨道器会携带返回器，加速完成从月球飞向地球的过程，也就是月地转移。回到地球附近之后，轨道器会释放返回器，返回器携带样品回到地球。轨道器会在地面控制下完成规避机动，确保返回器能够安全着陆，然后它会进入一个环绕地球的大椭圆轨道，等待后续处置。

看点三：采样区域选择大有讲究

据国家航天局介绍，嫦娥五号任务的采样区域是在月球正面风暴洋西北部，采样方式是机械臂表取和钻地钻取的方式，采样量约两公斤，月面工作时间约两天。

那去月球表面采样有哪些重要意义呢？中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙对媒体介绍，月壤是研究月球的样本，由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成，其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质，既可以了解月球的地质演化历史，也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

全国空间探测首席科学传播专家庞之浩告诉《环球时报》记者，探测月球有3种常用方法：一是环绕探测，二是着陆和巡视探测，三是采样返回探测。从技术层面看，3种空间探测方式每一步都是对前一步的深化，并同时为下一步奠定基础。完成月球采样返回任务，需要经历一个全面、精细、深入的科学探测过程，可以突破一系列关键技术，并为今后载人登月和月球科研站选址等提供有关数据、奠定技术基础。

本次任务的采样地点选择在风暴洋西北部有哪些考量呢？航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍称，嫦娥五号任务的着陆地点就在月球正面风暴洋西北部，这个位置过去还没有人类探测器，无论着陆还是载人的，还是返回的，都没有去过。科学家根据目前的研究成果，认为这块区域形成的地质年代比较年轻。相比过去已经带回到地球的样品和从地面开展的研究来讲，如果能够将这块区域的样品带回实验室进行分析，能够帮助人类更好地认识月球形成过程。同时，选择在暴风洋西北部采样也有从工程实现角度来考虑的因素。

为什么要采用两种采样方式呢？彭兢表示，从完成任务本身来讲，过去人类历史上无人月球采样，只有苏联用钻取方式，他们的钻头中间是一个中空结构，通过把钻头深入到月球表面以下，然后中空的管子里边能够取样。那么我们过了几十年再采样的话，当然也可以在苏联已经使用的这种钻取采样的基础上，提高技术水平，比如说采更多的样，还有另外一种方式就是换一种采样方式，然后获得不同的样品。所以从这个角度考虑，我们认为单一的采样方式获取的样品形式种类和总量等方面受限制比较多，用两种方式能够获得更多种类、更多数量的样品。另外我们从工程本身来讲，设计钻取和表取这两种方式，可以互为备份。

看点四： “五姑娘”采样返回要过N道关

嫦娥五号被“胖五”成功送入地月转移轨道，这是本次任务系列步骤中的第一步，后续它还将在20多天中突破层层技术难关并最终完成采样返回。这一点从嫦娥五号任务的众多关键节点就可见一斑。据国家航天局探月与航天工程中心党委副书记关锋介绍，嫦娥五号任务在文昌航天发射场用长征五号运载火箭直接将探测器送入地月转移轨道，探测器与火箭分离之后，将完成地月转移、近月制动进入环月轨道，在环月轨道上四器要进行第一次分离，着陆器上升器组合体（“着上组合体”）与轨道器返回器组合体（“轨返组合体”）进行分离，着上组合体将降落在月球正面风暴洋西北部区域，之后在48小时之内通过机械臂表取与钻地钻取两种方式共采集月面的土壤和岩石样品约两公斤，同时进行科学探测。完成采样和封装后，上升器在月面起飞，与位于月球轨道上的轨返组合体进行交会对接，并将样品容器转移到返回器内，随后轨返组合体与上升器分离，在预定时机加速进入月地转移轨道，飞行至地球约5000公里高度时，轨道器和返回器再次进行分离，返回器以半弹道、跳跃式返回地球，距离地面10公里高度时，返回器开伞着陆于内蒙古四子王旗预定着陆区域。地面搜索回收力量在两天内完成地面回收。整个过程历时23天左右。

《环球时报》从航天科技集团五院了解到，发射成功后，嫦娥五号将经过11个阶段，20余天的在轨飞行过程，飞行程序非常复杂，技术性能要求严格。据专家介绍，嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在多个关键环节。关键一：轨道设计复杂。嫦娥五号探测器飞行阶段多，各阶段轨道方案耦合紧密，轨道设计受到测控、运载和着陆场的限制，约束条件多，各飞行阶段轨道在控制和测定轨精度能力有限的情况下，匹配精度要求高；飞行过程还涉及月球轨道交会对接、月地转移等新的飞行阶段，飞行过程复杂，轨道设计难度大。关键二：月面采样封装技术新。采样封装是嫦娥五号月球无人采样返回任务的核心环节之一。月面采样封装任务采用表钻结合，多点采样的方式，采样装置为全新研制，技术新、难度大。关键三：月面起飞上升验证难。上升器基于着陆平台的月面起飞需解决月面起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异带来的验证技术难度大等问题。关键四：月球轨道交会对接与样品转移自主性要求高。与近地轨道交会对接不同，嫦娥五号月球轨道交会对接任务，对对接和样品转移过程自主性要求高。需要在考虑各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计；同时，月球交会对接过程中，地面测控支持能力受限，受到对接机构大小的限制，对接精度的要求较高。

看点五：回家之路仍有挑战

根据国家航天局的介绍，本次任务采用半弹道、跳跃式返回，着陆区域为内蒙古四子王旗相关区域，2014年10月曾成功试验了飞行器以第二宇宙速度再入返回，验证了气动力、气动热防护、制导导航与控制等多项关键技术，为嫦娥五号任务奠定了坚实的基础。

据彭兢介绍，从宏观上讲，嫦娥五号任务的返回器跟2014年验证试验时返回器状态是一致的。因为那次飞行试验的目的就是为了验证返回器能够以第二宇宙速度，也就是11公里每秒这个量级的速度，返回地球大气这样一个过程，这里边涉及到的气动、防热、控制等一系列复杂关键技术。2014年成功验证之后，使得我们对完成嫦娥五号任务有了更多信心。前提条件就是能够充分继承那此试验中返回器的状态，但实际上这两个返回器还是有一些细微差别的。主要就是因为这次返回器要接收从月球表面起飞带上来的月球样品，所以多了一个返回舱，而且舱是一个机构，这个舱要保证在交互对接的时候打开，能够确保样品容器能够进入到舱里面，在返回地球过程中还要保证这个舱门可以关上以保护样品。针对这些差别，研制人员已经做了大量地面试验。

而其中再入返回只是返回器回地球的最后一步，在此之前还有一个关键节点——高精度月地入射。《环球时报》记者从航天科技集团五院了解到，月地入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动，使轨返组合体进入月地转移轨道，由于月地关系的不断变化，月地入射窗口及入射点位置均受到严格约束，为理论上的零窗口；同时，月地入射的精度在一定程度上决定了返回器再入点精度，影响返回器的安全着陆，控制精度要求高。而在完成高精度月地入射之后，飞行器将迎来回家之旅又一个关键点——以第二宇宙速度再入返回地球大气。

据航天专家介绍，“半弹道跳跃式飞行”增加了在大气层的“一出一入”，可以消耗掉返回器的部分能量，从而减小着陆速度，拉长航程，有利于选择降落区。