嫦娥五號，歡迎回家

隨著嫦娥五號探測器發射升空，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發禮炮依次響起，等候已久的人群發出陣陣歡呼和掌聲?？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”，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工程。其帶著“土特產”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，發揮著什么作用？

“首先是‘外貌’即外觀造型不同?！睋袊教炜萍技瘓F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，我國成功發射嫦娥一號衛星，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，嫦娥二號衛星發射成功，2012年12月13日，嫦娥二號衛星與圖塔蒂斯小行星由遠及近“擦肩而過”，首次實現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，至今狀態良好。未來，嫦娥“四姐”還將和玉兔二號月球車一起，繼續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”——月壤，再次回到地球母親的懷抱。

創造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。

嫦娥探月的背后，是一項項技術難點的集智突破、一項項創新成果的破殼而生。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節之一。

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

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，這一環節是交會對接的起點，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?！?/p>

中國航天科技集團五院專家介紹，面對傾斜發射的技術難題，需要明確起飛穩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精確入軌，必須通過大量地面仿真和試驗對起飛上升發動機開展驗證。但月面環境的特殊性，低重力、高真空等環境模擬使得地面驗證較為困難。

經過一系列技術攻關，嫦娥五號科研團隊開展了一系列試驗驗證，建立了一整套環環相扣的系統，實現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。

經過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經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。

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測嫦娥五號探測器工作狀態（圖/新華社）

據了解，嫦娥五號月球軌道交會對接采用?？孔ゲ妒浇粫臃绞?，且無衛星導航信號支持，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。返回器再入速度快、時間長，表面溫度最高可超過2000攝氏度，如果傳導到內部，將對攜帶的月壤樣品產生影響。

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，也會產生一定升力?？恐@一點點升力，返回器就能成功實現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生“黑障”現象。高速摩擦會使返回器表面氣化，產生等離子鞘套，屏蔽了返回器與地面的聯系。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”前已經寫入返回器，返回器可以按照預設內容來執行指令。

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，通過優化降落傘的結構設計、采用先進材料和制造技術，實現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、脫傘等環節上都設計了備用方案，以實現“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”，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域，這是全新的采樣區域，全新的樣品研究，對月球表面的風化作用、火山作用和區域地質背景、區域地質演化方面應該能作出很多科研貢獻。

“土特產”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，依據國際合作的公約和多邊雙邊的合作協議，我國將發布月球樣品和數據管理辦法，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范?！耙皇遣捎每茖W的方法，制定科學的規范和方案，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，讓樣本發揮最大功效?！辨隙鹞逄柸蝿盏孛鎽孟到y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——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實施。

2021年是“十四五”規劃的開局之年，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化論證工程目標和科學目標。規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”的規劃，今年、明年計劃完成空間站共計11次發射任務。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化論證。

吳艷華表示，“十四五”時期要繼續大力發展國家民用空間基礎設施，廣泛為國民經濟各領域提供強大的支撐保障能力。同時，作為國家戰略性新興產業的重要組成部分，國家民用空間基礎設施還將為大眾生產生活提供更為優質的產品和服務。

我國首個月球樣品實驗室（圖/中新網）