探測月球具有重大的科技、政治和經(jīng)濟等意義，隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，綜合國力的提高，我國在開展人造地球衛(wèi)星和載人航天之后與時俱進，經(jīng)過從1990年代初到2004年約10年的醞釀，于2004年適時開展了一系列以月球探測為起點的深空探測活動。本著循序漸進、分步實施、不斷跨越的原則，制定了作為國家重大科技專項的中國月球探測計劃，計劃分“繞、落、回”三個階段實施[1]，預定2020年前后完成。

第一階段為繞月探測，即在2007年起發(fā)射繞月探測器。原定由嫦娥一號、二號完成，二號作為一號的備份。后因一號表現(xiàn)出色，二號就改為第二階段的技術先導星。第二階段為落月探測，即在2013年起發(fā)射攜帶月球車的落月探測器。原定由嫦娥三號、四號完成，四號是三號的備份。后因三號表現(xiàn)出色，四號改為執(zhí)行探月第四階段任務，并增加了發(fā)射嫦娥二號技術先導星，用于先行試驗嫦娥三號需要的六大關鍵技術。第三階段為采樣返回探測，即在2020年發(fā)射月球采樣返回器，在月球表面特定區(qū)域軟著陸并采樣，然后將月球樣品帶回地球。原定由嫦娥五號、六號完成，六號是五號的備份?，F(xiàn)在，六號改為執(zhí)行探月第四階段任務，并增加了發(fā)射嫦娥五號再入返回飛行試驗器（簡稱嫦娥五號T1），用于突破和掌握嫦娥五號以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術。

由此看出，“嫦娥工程”的每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎：繞月探測是對月球進行全球性綜合普查；落月探測是對著陸區(qū)附近進行區(qū)域性詳查，包括原位探測和巡視探測；采樣返回探測是對月球進行區(qū)域性精查，科學家在實驗室對月球樣品進行詳細研究。

目前，作為探月計劃第三階段工程主要任務的采樣返回已順利完成，取回了約1731克月球樣品供科學家研究[2]。該階段任務通過先后發(fā)射嫦娥五號T1和嫦娥五號實現(xiàn)。它可推動進一步對月球狀態(tài)、物質含量等重要信息的了解，深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識，同時也突破了一系列關鍵技術，為以后的載人登月和月球基地選址提供有關數(shù)據(jù)。

序曲：嫦娥五號T1

嫦娥五號月球采樣返回的過程，與返回式衛(wèi)星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9千米/秒（第一宇宙速度）返回不同，嫦娥五號返回器必須以11千米/秒（接近第二宇宙速度）返回再入大氣層。返回器再入速度提高一倍，再入產(chǎn)生的熱量將提高8～9倍，所以如果以11千米/秒速度直接再入返回返回器容易被燒毀，而且過載太大，會對返回器結構要求很高。為降低工程風險，確保嫦娥五號采樣返回任務精確完成，率先發(fā)射號稱“飛哥”的嫦娥五號T1空間飛行器，以掌握返回器超高速再入返回關鍵技術。由服務艙和返回器兩部分組成的嫦娥五號T1總重量為2噸多，返回器安裝在服務艙上部。其中返回器用鐘罩側壁加球冠大底構型，重量約330千克，具備返回著陸功能，與嫦娥五號的返回器基本一致。

2014年10月24日，嫦娥五號T1升空。它先飛抵月球附近，然后自動返回地球，最終，其返回器于同年11月1日采用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層，在預定區(qū)域順利著陸。這是我國航天器首次繞月飛行后再入返回地球，也是世界上第3個成功回收繞月航天器的國家，表明我國已突破和掌握航天器超高速再入返回技術。

嫦娥五號登場

對我國而言，嫦娥五號任務中有許多環(huán)節(jié)是首次實施，也是我國迄今為止系統(tǒng)最復雜、技術難度最大的航天工程，要面對許多技術挑戰(zhàn)。

嫦娥五號的工程目標：一是突破月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移、地球大氣高速再入、多目標高精度測控、月球樣品儲存等關鍵技術。二是實現(xiàn)首次地外天體自動采樣返回。三是完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。其科學目標：對著陸區(qū)現(xiàn)場調查和分析，對月球樣品進行分析研究。

2020年11月24日，我國用長征五號運載火箭成功發(fā)射了8.2噸的嫦娥五號月球采樣返回探測器，把它直接送入地月轉移軌道；探測器在月球表面特定區(qū)域軟著陸后進行了分析采樣；然后通過上升、月地轉移和返回等一系列過程，在升空23天后把月球樣品帶回地球。我國成為世界第3個能在月球采樣返回地球的國家。

嫦娥五號由上升器、著陸器、軌道器、返回器四部分組成，各部分像糖葫蘆一樣被“串”在一起。從發(fā)射到返回的過程里，它總共經(jīng)歷了23次重大的軌道控制和6次重大的分離控制，以及動力下降、月面起飛和交會對接等風險較高的項目環(huán)節(jié)，其設計相當精妙復雜，類似穿梭在太空中的變形金剛。

從發(fā)射入軌到返回器再入回收，嫦娥五號共歷經(jīng)了11個重大飛行階段。

發(fā)射入軌

2020年11月24日4時30分，嫦娥五號由長征五號遙五運載火箭發(fā)射，進入地月轉移軌道，開啟探月返回旅程。

地月轉移

嫦娥五號完成器箭分離，并展開探測器上的太陽能電池翼后，進入地月轉移軌道飛行約112小時。11月24日22時6分、25日22時6分，通過軌道器上的1臺3000牛和2臺150牛發(fā)動機分別工作2秒和6秒，先后進行了2次中途修正，并檢驗發(fā)動機。

近月制動

11月28日20時58分、29日20時23分，通過2次啟動軌道器上推力3000牛的發(fā)動機，進行了制動減速，嫦娥五號先進入近月點400千米的橢圓環(huán)月軌道，后進入200千米近圓形環(huán)月軌道。

環(huán)月飛行

11月30日4時40分，嫦娥五號的軌道器—返回器組合體（簡稱軌道返回組合體）和著陸器—上升器組合體（簡稱著陸上升組合體）在環(huán)月軌道上分離。著陸上升組合體進行了2次降軌、變軌，進入了近月點15千米、遠月點200千米的著陸準備軌道進行環(huán)月飛行，擇機著陸。軌道返回組合體繼續(xù)在200千米高環(huán)月軌道飛行，等待與上升器交會對接。

著陸下降

12月1日22時57分，通過啟動著陸器上的7500牛變推力發(fā)動機，經(jīng)主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等，著陸上升組合體相對月球速度從約1.7 千米/秒降為零，于23時11分在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區(qū)軟著陸。

著陸區(qū)在月球正面最大的月海暴風洋北部呂姆克山脈附近。風暴洋地體相對較年輕，富集鈾、釷、鉀等放射性元素，存在距今20億～13億年的玄武巖，對其研究將有利于推進對月球火山活動和演化歷史的認識。

月面工作

12月2日22時整，著陸上升組合體完成月壤的鉆取、表取及封裝，用時僅19個小時（原定2天）。同時，著陸上升組合體與軌道返回組合體，為月球軌道交會對接和樣品轉移做好了萬全的準備。著陸器上還攜有一套全景相機系統(tǒng)、月壤結構探測儀和月球礦物光譜分析儀[3]，其中相機系統(tǒng)負責表取采樣區(qū)域成像、表取采樣過程監(jiān)視和協(xié)作；月壤結構探測儀用于繪制地下表面圖的穿地雷達；月球礦物光譜分析儀用于對采樣區(qū)進行光譜探測和礦物組成分析，測定著陸點處礦物組成并計算月壤中被鎖定的水分含量。

月面上升

12月3日23時10分，經(jīng)過2天月面工作后，攜帶月球樣品的上升器在著陸器上起飛，這是我國空間飛行器第一次在地外天體起飛。上升器上的3000牛發(fā)動機點火工作約6分鐘，在經(jīng)歷了垂直上升、姿態(tài)調整和軌道射入等過程后，上升器進入相應的環(huán)月飛行軌道。此次月面發(fā)射的窗口期很短，上升器和軌道返回組合體要精準考慮測控需求、光照需求以及姿態(tài)控制要求，以確保交會對接順利完成。

起飛前，著陸上升組合體實現(xiàn)了月面國旗展開以及上升器、著陸器的解鎖分離。國旗展示系統(tǒng)質量1千克，國旗質量12克，大小如A4紙一樣，采用芳綸材料，可在正負150℃環(huán)境下不變色。

交會對接與樣品轉移

進入環(huán)月軌道飛行的上升器，分別在12月4日和5日通過遠程導引，以及6日通過近程導引技術，于6日5時42分，與在200千米高度飛行的軌道返回組合體完成交會對接；6時12分，上升器中存放的月球樣品通過軌道器轉移到返回器中。

環(huán)月等待

12月6日12時35分，軌道返回組合體與上升器在月球軌道成功分離。完成對接和樣品轉移后，上升器就被拋離，軌道返回組合體進入為期6天的環(huán)月等待飛行，等待月地入射窗口的到來，其目的是進入能量最優(yōu)月地轉移軌道，全力以赴做好返回地球的準備。

月地轉移

2020年12月12日9時54分，軌道返回組合體在經(jīng)歷了約6天的環(huán)月等待后，實施了第一次月地轉移入射，從近圓形軌道進入近月點高度約200千米的橢圓軌道。12月13日9時51分，軌道返回組合體實施第二次月地轉移入射，在距月面約230千米處成功點火4臺150牛發(fā)動機，約22分鐘后，發(fā)動機正常關機，軌道返回組合體成功進入月地轉移軌道。12月14日11時13分、16日9時15分，軌道返回組合體上2臺25牛發(fā)動機先后工作28秒和8秒，順利完成2次月地轉移軌道修正。

再入回收

12月17日凌晨1時許，距離地球5000千米高度時，軌道器協(xié)助返回器建立再入返回姿態(tài)，隨后與返回器分離。軌道器順利執(zhí)行規(guī)避機動。在完成既定主任務后，軌道器開展拓展任務，啟程飛往距離地球約150萬千米的日地拉格朗日L1點。返回器準備再入返回地球。1時33分，在距地面高度約120千米處，返回器以接近第二宇宙速度再入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至距離地面60千米高時，通過半彈道跳躍式再入返回技術，重新向上躍出大氣層，到達最高點后開始滑行下降，以第一宇宙速度再次進入大氣層，實施第2次氣動減速。降至距地面約10千米高度時，返回器打開主降落傘，完成最后減速，并保持姿態(tài)穩(wěn)定，于17日1時59分在內蒙古四子王旗預定區(qū)域成功著陸。

嫦娥五號的5個“首次”

為了完成這次月球采樣返回任務，嫦娥五號實現(xiàn)了我國開展航天活動以來5個“首次”的突破。這5個“首次”既是亮點，也是難點。

首次在月面自動采樣

著陸器上的采樣裝置需要具備在月球低重力環(huán)境下鉆孔、鏟土和輸送等能力。取樣完成后要封裝，不能有任何污染。著陸器上有兩種用于采樣的機械手：一種是鉆取器，它可以鉆取月面下約2米深度的月巖樣本（由于遇到比較密實的石頭顆粒，所以沒有鉆到2米深），鉆取的月壤不會破壞原有層次結構。另一種是電鏟，用于表取，即在月球表面鏟取月壤。盡管在地球上，機械手能在模擬月球重力環(huán)境的試驗條件下做出精確動作，但相比真實的月球重力環(huán)境依舊存在誤差，這是一次很大的挑戰(zhàn)。

首次從月面起飛

采集的樣品封裝到上升器后，上升器從著陸器上起飛。這是我國空間飛行器第一次在地外天體起飛。上升器起飛時噴射的火焰會碰到著陸器，從而可能產(chǎn)生干擾上升器的力。另外，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)，也無法像在地球上的發(fā)射塔架那樣配置火箭導流槽，所以要攻克月面起飛的軌道設計、月面起飛測控和發(fā)動機羽流導流等難關。

首次在38萬千米外月球軌道上完成無人交會對接

攜帶月球樣品的上升器起飛后，要在月球軌道與軌道返回組合體進行無人交會對接，并把采集的樣品轉移到返回器中，這在世界上也是首次。我國在地球軌道上有著比較成熟的航天器交會對接經(jīng)驗，多次采用“小追大”的模式，即小質量飛船追大質量“天宮”。但在月球軌道上交會對接要“大追小”，即裝有較多燃料的大質量軌道返回組合體追小質量上升器，而且距離地球幾十萬千米，稍微控制不好就會偏離到太空中，或撞開上升器。

為防止大質量軌道返回組合體撞開小質量上升器，這次采用了?？孔ゲ妒浇粫臃绞剑@與載人航天對接機構不同，從“太空之吻”變成“月軌相擁”。專家把一種稱為抱爪式空間輕小型弱撞擊對接機構裝在軌道器上，它具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優(yōu)點，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現(xiàn)了對接與自動轉移功能一體化。這些設計理念是世界首創(chuàng)的。

首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球

雖然嫦娥五號T1進行了一次試驗，但嫦娥五號返回是一次實戰(zhàn)考驗，需要設計一條安全穩(wěn)妥的返回路線，這對返回器的氣動外形、防熱材料，以及控制都將是一次新挑戰(zhàn)。

此前只有蘇聯(lián)在1970年代完成了3次無人月球采樣返回，總共帶回330克月球樣品。但蘇聯(lián)當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術，所以3次采樣任務都是從月面起飛后直接返回地球，因此上升器需要克服返回艙與大量燃料“死重”（重量的總和），從而極大壓縮了采樣重量。而嫦娥五號這次采用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器只需少量燃料，且沒有返回艙“死重”，因此采樣重量呈幾何級提高，一次就帶回1731克月球樣品。

首次建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統(tǒng)

為對自取月球樣品進行存儲、分析和研究，地面應用系統(tǒng)已新增了月球樣品存儲實驗室和異地容災備份存儲實驗室，新建了密云35米數(shù)據(jù)接收天線，可滿足月球樣品存儲和數(shù)據(jù)接收、處理和解譯的任務需求。

我國探月計劃第四階段工程

嫦娥五號任務的圓滿完成標志著“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略大功告成，但這并不是終點。2019年1月14日，我國宣布了探月計劃第四階段任務，第四階段的首次任務由嫦娥四號執(zhí)行，未來中國還將探測月球的兩極，建立月球科研站，最終實現(xiàn)載人登月及建立月球基地的夢想！

（本文作者龐之浩為全國空間探測技術首席科學傳播專家，《國際太空》雜志原執(zhí)行主編，《太空探索》、《中國國家天文》雜志編委。）

[1]龐之浩，朱敏悅， 王曉宇， 等. 不斷刷新探索宇宙深空的“中國高度”——訪嫦娥-1繞月探測器總指揮兼總設計師葉培建院士.國際太空， 2016（8）： 2-11.

[2]劉錕. 嫦娥五號帶回月球樣品約1731克. 解放日報， 2020-12-20 [2020-12-30]. https：//www.jfdaily.com/journal/showNewsDetail. htm？id=305732.

[3]甘曉. 嫦娥五號上的“中科院出品”. 中國科學報， 2020-11-25[2020-12-30]. http：//news.sciencenet.cn/ sbhtmlnews/2020/11/359032.shtm.

關鍵詞：嫦娥五號月球探測器 采樣 月壤 返回 ■