11月24日，長征五號遙五運載火箭在晨曦之中轟鳴升空，將嫦娥五號探測器送往月球。中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，正式拉開帷幕。

嫦娥五號探月，既是一場38萬公里地月往返的漫長馬拉松，也是一場從發(fā)射、著陸到采樣、返回的接力賽。作為中國航天領域迄今為止最復雜、難度最大的任務之一，嫦娥五號將創(chuàng)造諸多紀錄，并帶回來自月球的“紀念品”——月壤。這對于中國開啟月球與深空探測新征程、建設航天強國有著里程碑意義。

最難任務實現(xiàn)五個“首次”

對于月球，中國人的矢志探索未曾停歇。從2017年嫦娥一號繞月探測、為月球拍下“全身照”開始，中國已完成5次探月任務，實現(xiàn)了繞月探測、落月探測和巡視探測。

嫦娥五號的升空，則開啟了中國探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的沖刺之旅。作為探月工程三期的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號探測器將落月“挖土”，帶上月壤樣品返回地球，實現(xiàn)中國首次月球無人采樣返回任務。

事實上，嫦娥五號的“首次”不只帶回月壤。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、嫦娥五號任務新聞發(fā)言人裴照宇表示，嫦娥五號任務順利完成將有望實現(xiàn)中國航天史上的5個“首次”：地外天體的采樣與封裝;地外天體的起飛;月球軌道交會對接;攜帶樣品高速地球再入;樣品的存儲、分析和研究——這將成為中國航天技術的一次重大跨越，為進一步認識月球提供重要支撐。

與此同時，作為中國航天史上最復雜的任務之一，嫦娥五號在整個探月行程中將經(jīng)歷11個階段、約23天的在軌飛行過程，采集約2千克月球樣品返回地球。從任務的操作來看，一次探月飛行包括兩次發(fā)射(地面發(fā)射與月面發(fā)射)、兩次著陸(月面著陸與地球著陸)、兩次封裝(月面封裝與月軌封裝)、一次交會對接(月軌對接)。

“糖葫蘆”探測器“組團”工作

要實施如此復雜的探月任務，嫦娥五號具備了一身本領。相較于嫦娥家族的4位“大姐姐”，嫦娥五號探測器雖然“年紀”小，但結(jié)構最復雜，噸位也是家族第一——探測器總重量達8.2噸，高度在7.2米左右，是今年中國航天發(fā)射的最重探測器。當然，這也對運載火箭提出了很高的要求，顯示出長征五號遙五運載火箭的強大能力。

嫦娥五號的重量源于4個主要部件——上升器、著陸器、返回器和軌道器。相較而言，嫦娥一號和嫦娥二號僅有一個軌道器，而嫦娥三號與嫦娥四號則只有著陸器與巡視器(月球車)。

4個部件的主要任務各不相同。據(jù)專家介紹，上升器的作用是攜帶采集的樣品，在月球表面起飛上升，將月球“紀念品”帶回地球。著陸器則具備多重功能：降落時，攜帶上升器落在月球表面;降落后，通過鉆取和表取兩種方式，完成月球表面的采樣和封裝;隨后，變身發(fā)射塔架，幫助上升器完成點火起飛。

在抵達月球和離開月球的過程中，嫦娥五號要完成地月軌道和月地軌道的轉(zhuǎn)換。軌道器的作用就是承擔在不同軌道上的飛行任務——嫦娥五號抵達月球后，軌道器要及時剎車制動，幫助探測器進入環(huán)繞月球軌道。此后，軌道器將與返回器一同在軌道上待命。當上升器攜帶樣品起飛后，軌道器將幫助返回器完成交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，隨后在合適的時機進入月地轉(zhuǎn)移軌道，“目送”返回器回到地球。

為了完成復雜的工作，嫦娥五號四大“神器”將“組團”接力作戰(zhàn)。著陸器與上升器組成“著上組合體”，主要承擔前期的登月采樣任務;軌道器和返回器則組成“軌返組合體”，完成最后一棒的“沖刺”，將珍貴的月壤樣品帶到地球。

“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。四器串在一起，則構成了一個完整的探測器。”航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設計師彭兢說。

邊鏟邊鉆“挖土”2千克

月球表面自動采樣封裝，是嫦娥五號探月任務中最令人關注的環(huán)節(jié)。這也是人類航天器時隔44年之后再度飛赴月球取壤。

專家表示，月壤蘊藏著巨大的科學研究價值，不僅涉及月球本身，還包含太陽系空間的物質(zhì)和能量等重要信息。通過對月壤的研究，可以提供月球資源開發(fā)利用的重要信息，并為未來月球基地的選址提供科學依據(jù)。目前，已有不少國外科學家和航天機構提出，希望利用中國獲得的月球樣品開展研究。

上世紀六七十年代，美國和蘇聯(lián)先后實現(xiàn)了月球采樣返回。美國通過6次登月計劃，將12名航天員送上月球的同時，帶回了380多千克的月壤和月巖樣品;蘇聯(lián)則在3次探月過程中，用無人采樣的方式采集了300余克樣品。

此次嫦娥五號設定了2千克的采集目標。裴照宇表示，經(jīng)過論證，2千克數(shù)量上不算少，工程上可實現(xiàn)。“但作為對這次任務的考核，我們的目標是采樣返回。采到樣品返回地球，就是成功。”

據(jù)介紹，嫦娥五號主要采用了兩種采樣方式，即機械臂表取和鉆具鉆取。所謂表取，是用類似于人手的“鏟子”采集月壤;鉆取則可深入月球內(nèi)部2米，鉆取月壤巖芯。在兩天的工作時間里，嫦娥五號的各種設備將采取深鉆、淺鉆以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式采集足量月壤，并進行密封封裝，將珍貴樣本送回地球家園。

采取2千克樣本看似簡單，但卻面臨不少困難。一方面，全新研制的月面采樣裝置需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束;另一方面，采樣期間還要面臨月面的高溫工作環(huán)境以及地質(zhì)情況等不確定因素——在白天，月球表面溫度可達零上180攝氏度。

為了讓采樣物盡其用、獲取更有價值的研究成果，嫦娥五號的降落點也很有講究。專家介紹，著陸器將降落在月球正面西北部風暴洋地區(qū)，人類的探測器還未曾到訪此處?？茖W家認為，這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代比較短，此前美蘇采集的月球樣品歷史更早一些。因此，在風暴洋地區(qū)采樣并分析其月壤的結(jié)構、物理特性、物質(zhì)組成等，可以更完整地認識和了解月球的形成和演化過程，甚至有望揭示月球10多億年以來的火山活動和隕石撞擊歷史。

交會對接完成“千里穿針”

完成月壤的采樣和封裝后，嫦娥五號的著陸器將點火起飛，把載滿寶藏的上升器送回月球軌道。

月面起飛上升，這也是中國航天史上的第一次。從地球出發(fā)時，“嫦五”還可以乘坐“胖五”，沿著既定軌道奔月;但漫長的回家之路，沒有平坦的起飛地、沒有成熟完備的發(fā)射塔架，嫦娥五號只能靠自己的本事。

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說，月球表面環(huán)境復雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上，這給起飛帶來很大難度。此外，嫦娥五號還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動機羽流導流空間受限等難題。月面起飛時，航天器需要自主定位、定姿。

為了確保上升器順利起飛上升，嫦娥五號研制團隊進行了大量的試驗驗證，并建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證措施，為嫦娥五號勝利邁出回家的一步保駕護航。

當上升器抵達月球軌道后，將與軌返組合體交會對接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器，這也是此次探月任務的難點之一。

盡管中國的空間自主交會對接技術已經(jīng)成熟，但過去的工作都是在地球軌道上進行的，有充足的地面站與人造衛(wèi)星資源提供精準測距、定位、導航服務。在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接，在人類航天史上尚屬首次——此前蘇聯(lián)實施的3次無人月球采返任務，均采用月面起飛后直接返回地球的方式。

彭兢介紹說，上升器和軌返組合體交會時，兩個航天器的相對位置誤差不能超過5厘米。上升器重量約為三四百千克，軌返組合體則重達近2000千克，如果采用一定速度的碰撞式對接，稍有誤差就會把小的航天器撞飛。因此，科研人員設計了兩個航天器在相對速度為零的狀態(tài)下進行對接的方案，這對航天器的姿態(tài)、測控精度等提出了更高要求。

“打個水漂”從太空回家

在距離地球約5000公里時，返回器將同軌道器分離，獨自踏上回家之路。經(jīng)歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段，最終平穩(wěn)安全地降落在預定地點——內(nèi)蒙古四子王旗著陸場。

在再入和回收階段，擔任探月接力任務“最后一棒”的返回器，將以接近每秒11公里的第二宇宙速度，從38萬公里遠的距離向地球飛奔而來。與之相比，從數(shù)百公里高的近地軌道返回的航天器，其速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。每秒3公里差距看似不大，但返回器一旦速度過猛，一頭撞向地球，后果不堪設想。

為了讓返回器減速飛行，嫦娥五號的科研人員提出了“半彈道跳躍式”再入返回技術方案。用更形象的比喻來說，就如同在太空中打水漂一樣，讓返回器先高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，隨后再以第一宇宙速度“扎入”大氣層，返回地面。

在太空中打水漂看似瀟灑，實際上對返回器落點的控制并不容易。為了驗證這一技術，中國在2014年進行了再入返回飛行試驗，為嫦娥五號探路的“嫦娥五T”平安返回地球，驗證了再入技術的可靠性。此次試驗也讓中國成為第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。

關鍵詞： 奔月取土