◎本刊綜合

嫦娥奔月不止是神話傳說，繼“三姐”“四姐”后，2020年11月24日4時30分，嫦娥“五姑娘”搭乘長征五號遙五火箭發(fā)射升空，又一次奔赴月球，落在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，之后成功帶回月球的“土特產(chǎn)”，實現(xiàn)我國首次月面采樣返回。

這可不是一件容易的事兒，需闖過重重關(guān)卡才能完成任務。從地面發(fā)射升空到落月“挖土”，從月面起飛到精確入軌，從月球軌道無人交會對接到返回地球……每個環(huán)節(jié)都必須保證無誤，每一次操作都必須精準到位。

那么，嫦娥五號探測器（下稱“嫦娥五號”）為什么要千里迢迢去月球“挖土”？為了捧回那抔土，她到底有多拼？有哪些厲害的裝備助她闖關(guān)成功？我們一起來深入地了解一下吧。

嫦娥“五姑娘”長啥樣

好似糖葫蘆

“嫦娥五號”是我國目前發(fā)射的最重的探測器，重達8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器和上升器“串聯(lián)”而成，猶如一串糖葫蘆。

軌道器、返回器、著陸器和上升器各自獨立，又常?！氨А痹谝黄鸾M成不同的“組合”，比如著上組合體、軌返組合體、四器組合體等。

“嫦娥五號”的四部分（圖/國家航天局）

或許你會問，軌道器、返回器、著陸器和上升器這重要的“四器”是用來干什么的？

顧名思義，上升器負責攜帶月球樣品從月球表面起飛，然后進入環(huán)月軌道，與軌返組合體進行交會對接，并把樣品轉(zhuǎn)移到返回器里。著陸器攜帶上升器在月球表面著陸，之后最重要的工作是完成月球表面采樣及封裝。返回器的功能是攜帶月球樣品返回地球。軌道器猶如“太空郵差”，在地月之間構(gòu)建一條太空“物流”通道，既承擔地月往返運輸任務，將“乘客”安全送往目的地，又在太空中穩(wěn)妥地完成月球樣品的“接收”、“裝箱”工作，將珍貴的樣品送回地球。

為了完成科學任務，“嫦娥五號”上還裝載了多種有效載荷，包括全景相機、全景相機轉(zhuǎn)臺、降落相機、月球光譜分析儀、月壤結(jié)構(gòu)探測儀、有效載荷數(shù)據(jù)處理器等。

身穿“防熱拼接裝”

返回地球時，“嫦娥五號”以接近每秒11.2千米的第二宇宙速度進入大氣層，高速摩擦使表面溫度超過3000℃，如此高的溫度會嚴重影響月球樣品，所以科學家給嫦娥五號返回器穿上了“防熱裝”——嫦娥五號返回器采用防熱材料。

防熱材料需要在耐高溫的同時發(fā)揮其結(jié)構(gòu)承載性能，是嫦娥五號返回器的“骨骼”。由于各部位受熱情況不同，嫦娥五號返回器在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風面、側(cè)壁背風面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼這7個部位分別采用了7種不同成分的防熱燒蝕材料，材料體系以碳為主。這樣看來，嫦娥五號返回器的“防熱裝”還是時尚的“拼接款”呢。

知識鏈接：

熟悉的“陌生人”——月球

在人們眼中，月球就像一個恬靜的姑娘。她的自轉(zhuǎn)周期為655.2個小時，與繞地球的公轉(zhuǎn)周期相同，約等于地球上的27.3天。而地球自轉(zhuǎn)一圈只要24個小時，和月球相比，地球簡直像個旋風小子。

月球還是一個低調(diào)的姑娘。作為太陽系中第五大衛(wèi)星，她本身不發(fā)光，我們在地球上看到的月光來自太陽的反射光。

由于月球只能俘獲微量的太陽風氣體，所以幾乎沒有大氣。缺少大氣的溫度調(diào)節(jié)，月球白天最熱時溫度可達127℃，夜間最冷時溫度可降至-183℃，真是“性格多變”。

月球表面有大大小小的巖石、撞擊坑等，其中雨海是月球表面最大的撞擊盆地之一，遍布年輕的火山巖、巖漿巖，具有獨特的地質(zhì)背景。月球上還蘊藏著大量的自然資源，已知有100多種礦物。

“嫦娥五號”腳下的月球（圖/國家航天局）

為什么千里迢迢去挖土

從1969年到1976年，6次阿波羅任務和3次月球號任務帶回了月球表面9個區(qū)域共計382千克月球巖石和土壤樣品。正是這些珍貴的月球樣品，讓我們能夠真正接觸到有明確產(chǎn)地的月球物質(zhì)，在實驗室里全方位分析研究這些月球物質(zhì)，確定月球上一部分區(qū)域的絕對年齡——這是月球探測器遙感探測和在地球上分析月球隕石所做不到的。

但是，我們僅僅通過這些月球樣品來認識月球，太局限了，我們對月球的認識不管在空間上還是時間上都是極其不全面的。

唯一的解決辦法就是重返月球，采集更多來自不同地質(zhì)背景、形成于不同歷史時期的月球樣品。只有這樣，我們才能更好地了解月球的歷史，比較全面地認識月球，認識地月系統(tǒng)，甚至了解太陽系的過去。這就是“嫦娥五號”不辭辛苦去月球“挖土”的目的。

“嫦娥五號”挖土選址在月球正面風暴洋的東北角，距離阿波羅任務和月球號任務采樣區(qū)1000千米以上，那里有人類之前未曾找到過的月球“最年輕”的月巖、月壤，它們可能形成于20億年前甚至6億年前。

星際闖關(guān)，關(guān)關(guān)不容易

2次發(fā)射、2次著陸、1次月軌交會對接、5次樣品轉(zhuǎn)移、6次分離、“繞月”……23個日日夜夜里，“嫦娥五號”闖過一關(guān)又一關(guān)，完美地完成了任務。

發(fā)射

2020年11月24日 4時30分，長征五號遙五運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點火升空，在破曉中劃出一道金色弧線，經(jīng)過2200多秒的飛行，成功將“嫦娥五號”送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

● 為什么選在凌晨發(fā)射

長征五號遙五運載火箭在凌晨發(fā)射最有利于奔月軌道的設(shè)計，滿足地球和月球位置關(guān)系的限制、火箭射向和滑行時間的約束等各種制約條件。

太陽活動對于“嫦娥五號”來說是非常麻煩的，長征五號遙五運載火箭飛向宇宙的時候，地球正好把太陽光遮住，可避免太多太陽輻射對“嫦娥五號”產(chǎn)生影響。

另外，凌晨天氣狀況比較穩(wěn)定，云層更少，有利于信號傳播，方便科研人員控制“嫦娥五號”。而且，整體環(huán)境亮度比較低，地面的探測儀可以更好地跟蹤“嫦娥五號”。

●“胖五”挑戰(zhàn)高難度動作

在那飛行的2200多秒里，長征五號遙五運載火箭（又稱“胖五”）在太空完成了高難度動作——長時間滑行。

滑行是指火箭主發(fā)動機關(guān)機后，火箭靠慣性向前飛行。這聽上去絲毫不費力氣，但實際上，長時間滑行對于一枚火箭特別是一枚零下200多攝氏度的“冰箭”來說，是個不小的考驗。

長征五號遙五運載火箭二級發(fā)動機從一次關(guān)機到再次點火，間隔約935秒。在這一開一關(guān)之間，長征五號遙五運載火箭要完成箭體姿態(tài)調(diào)整、真空狀態(tài)下推進劑沉底、低溫發(fā)動機二次啟動前預冷等工作，動作非常多。另外，滑行時間長，火箭在空間輻射影響下的環(huán)境變化更加復雜，低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷變化。

●“座椅”更大更舒適

“嫦娥五號”這次奔月乘坐的“座椅”是火箭有效載荷支架，它可不一般，是探月發(fā)射以來最大、最輕的“座椅”。

“座椅”的蒙皮厚度為0.9毫米，支撐框是空心的，采用碳桁條。器箭接口直徑有3米多，比以前的尺寸都大?！白巍眱?nèi)各種設(shè)備的空間也更大，保證了器箭銜接的穩(wěn)定性和可靠性。

近月制動

2020年11月28日，“嫦娥五號”到達月球附近，在近月點兩次“剎車”，順利進入環(huán)月圓軌道。

分離

2020年11月30日，“嫦娥五號”著上組合體與軌返組合體分離。

落月

2020年12月1日23時11分，“嫦娥五號”成功著陸在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)。這里地勢平坦，通信條件好，光照和溫度較為理想，之前尚未有人類探測器造訪過。

●險！600千米外“全自主跳傘”

在飛行至距月面1.5千米處時，“嫦娥五號”利用光學成像敏感器進行粗避障，剔除大型障礙物；當距月面僅百米時，“嫦娥五號”上的備用激光三維成像敏感器進行精確避障，精準識別選好落點。

一邊下降一邊避障，待飛到選定著陸點后，“嫦娥五號”一個側(cè)身開始垂直下降，并在距離月面較近時關(guān)閉發(fā)動機、自由落體……著陸腿緩沖著陸，完美落月！

●穩(wěn)！“嫦娥五號”“大腿”顯身手

通俗地說，著陸緩沖機構(gòu)就是“嫦娥五號”的“腿”。這4條緩沖、支撐一體化的“腿”可不一般，有著嫦娥三號探測器、嫦娥四號探測器的完美基因，采用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面的問題。

瞧，靠著那4條“腿”，“嫦娥五號”穩(wěn)穩(wěn)地在月球表面著陸，與月球“擁抱”，不翻倒、不陷落。

自動采樣

經(jīng)過約19個小時的月面工作，2020年12月2日22時，“嫦娥五號”順利完成月球表面自動采樣，并按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

●兩種挖土模式

“嫦娥五號”采用機械臂表取、鉆具鉆取兩種“挖土”模式，通過深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式實現(xiàn)多點、多樣化自動采樣。

●“手臂”指哪挖哪

“嫦娥五號”的“手臂”集高顏值、高科技于一體，各個關(guān)節(jié)的力量都來自安裝在關(guān)節(jié)處的電機。

關(guān)節(jié)臂電機有兩種，個頭不大，力氣不小，而且靈活機動，精度可達1度以內(nèi)，能讓“嫦娥五號”指哪挖哪。

“嫦娥五號”在月球表面自動采樣(圖/國家航天局)

月面起飛

2020年12月3日，嫦娥五號上升器月面點火，3000牛發(fā)動機工作約6分鐘后，順利將攜帶月壤的上升器送入預定環(huán)月軌道，成功實現(xiàn)我國首次地外天體起飛。

嫦娥五號上升器在月面點火(圖/國家航天局)

國旗有話說

嫦娥五號著陸器和上升器組合體全景相機拍攝的五星紅旗在月面成功展開的畫面(圖/國家航天局）

在嫦娥五號上升器點火前，我終于在月球上驚艷亮相——第一次月表動態(tài)展示。熾熱的紅、燦爛的黃，我的高光時刻足以讓全國人民振奮。

我是誰？

我是月球上第一面織物五星紅旗。與嫦娥三號探測器、嫦娥四號探測器和玉兔月球車上采用噴涂方式的國旗不同，我是一面真正的旗幟。

我長30厘米，高20厘米，僅重11.8克。別看我不大，但本領(lǐng)超強，能應對從-150℃到150℃超高溫、紫外線直射。這得感謝研制我的科研團隊，他們的付出令人感動。

在選材上，科研團隊花費的時間就超過了1年。他們挑選出二三十種纖維材料，然后通過一系列物理試驗，最終決定采用一種新型復合材料，既能滿足強度要求，又能滿足染色性能要求，還能保證我卷起時在正負150攝氏度溫差環(huán)境下不會粘連在一起。

我能成功展示，多虧了國旗展示系統(tǒng)。整套系統(tǒng)質(zhì)量只有1千克，采用二級桿，所有的機構(gòu)和關(guān)鍵位置都經(jīng)過了防冷焊處理。

交會對接

2020年12月6日，嫦娥五號上升器與軌返組合體在月球軌道上交會對接，并將樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。

●三大神器來幫忙

由中國航天科工集團有限公司第二研究院25所研制的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為中遠距離測量的唯一手段，成功引導首次月球軌道無人交會對接。當軌道器、上升器相距約100千米時，微波雷達開始工作，不斷為導航控制分系統(tǒng)提供兩臺航天器之間的相對運動參數(shù)，并進行雙向通信。兩臺航天器根據(jù)微波雷達提供的信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對接機構(gòu)捕獲、鎖定上升器。

“嫦娥五號”采用的對接機構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點。

連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)設(shè)計巧妙，具有兩套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4次伸縮可以讓容器移動到返回器中。

返回地球

2020年12月17日1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域著陸。

嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域安全著陸（新華社記者連振攝）

●“打水漂”式返回

“打水漂”式返回即半彈道跳躍式再入，嫦娥五號返回器先高速進入地球大氣層，之后與大氣產(chǎn)生相互作用力，像打入水中的小石子一樣彈跳起來，跳出大氣層，到達最高點后開始滑行下降。然后，返回器第二次進入大氣層，實施二次氣動減速，最后返回地面。

為什么返回器要采用這樣的方式返回呢？

嫦娥五號返回器帶著月壤從月球風馳電掣般向地球飛來，這時速度接近第二宇宙速度，而從近地軌道返回的航天器速度通常約為每秒7.9千米的第一宇宙速度。這每秒3千米多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號返回器沖勁過猛，一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想，所以，科研人員決定讓嫦娥五號返回器借助地球大氣層這個天然屏障，利用空氣摩擦產(chǎn)生的阻力實現(xiàn)減速飛行。

特殊的土特殊的用途

“嫦娥五號”帶回來的1731克月壤如此珍貴，會被放在哪里呢？

位于北京的中國科學院國家天文臺是月球樣品的主要存儲地點，另外，作為容災備份，還有一部分儲存在湖南韶山，告慰毛主席“可上九天攬月”的夙愿。

或許你們會問，這些月球樣品是什么樣的，未來有沒有機會一睹其風采？

當然有！“嫦娥五號”帶回來的月球樣品將用于三類用途：第一類，部分樣品會入藏國家博物館，向公眾展示，進行科普教育；第二類，與世界各國的科學家共享，也可能有一部分按照國際慣例作為國禮相送；第三類，用于科學研究，科研人員會在實驗室對月球樣品進行長期、系統(tǒng)的研究，包括它的構(gòu)造、物理特性、化學成分、同位素組成、礦物特點和地質(zhì)演化等，深化人類對月球起源、演化等方面的認識，這是主要的用途。

首次在月球表面自動采樣與封裝，首次從月面點火起飛，首次在月球軌道進行無人交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，首次攜帶樣品以接近第二宇宙速度返回地球……“嫦娥五號”任務創(chuàng)造了多個“中國首次”，中國探月工程“繞、落、回”完美收官。這是結(jié)束，也是新的開始。

星辰征途永無止境，逐夢之行永不停歇。未來，中國還將繼續(xù)開展月球探測，不斷刷新探索宇宙的新高度。