阿波羅飛船半世紀前載人登月,嫦娥五號後來居上靠的是什麼?

公元2020年11月24日凌晨04時30分21秒806毫秒，我國首艘月球採樣飛船嫦娥五號在長徵五號遙五運載火箭託舉下零窗口點火升空。

隨後經過程序轉彎、助推器分離、拋整流罩、一二級分離、二子級一次關機、937秒滑行、二子級二次開機、星箭分離一系列程序動作，在點火起飛2184秒後嫦娥五號順利進入112小時地月最優能量轉移軌道，正式踏上奔月旅程。

器箭分離中的嫦娥五號

此次發射不僅是嫦娥五號的勝利，更是長徵五號系列大推力運載火箭的成功。在遙五任務火箭轉運階段航天人打出「超越夢想飛，誓奪四連勝」標語，如今他們終於圓夢，長徵五號遙三、長徵五號B遙一、長徵五號遙四、長徵五號遙五4次發射完勝戰績扎紮實實地提升了中國航天進入太空的新能力。

長徵五號系列火箭四戰四捷

由此筆者不由得想起2017年那些因為遙二任務一時失利唱衰長五的人們如今又當如何自處？一次又一次的生動實踐闡明了一個真理：要用發展的眼光看問題。

通過發射直播畫面可以看到嫦娥五號有很多太陽翼，軌道器、著陸器、上升器都有，尤其是著陸器不同於嫦娥三號、四號，太陽翼面積幾乎擴大了一倍，該設計目的是為了提升供電能力。

嫦娥五號在軌展開太陽翼

著陸器與上升器組合體在執行登月任務時也將選擇太陽入射角較大接近月午的時段，目的同樣是為了增強供電能力，原因是執行月面採樣的機械臂與鑽機都是耗電大戶。

探測器順利入軌後航天科技五院終於公開了珍藏已久的嫦娥五號完全體照片，看著這張高清照片熟悉航天的人們不由得聯想起半個世紀前連續六次載人登月的阿波羅飛船。

嫦娥五號完全體

的確，兩者構型有一定的相似度，比如都由四大艙段組成，阿波羅飛船有服務艙、指令艙、下降級、上升級，可以分別對應嫦娥五號的軌道器、返回器、著陸器、上升器，這是因為二者選擇的都是登月返回效能最大化的月球軌道交會對接方案。

雖有相似但更多的是不同，首先二者發射與奔月形態完全不同，嫦娥五號在地面與地月轉移飛行段都是合體形態，而阿波羅飛船從始至終都沒有公開過四大艙段合體照片，這是因為他們的服務艙/指令艙組合體與登月艙/上升級組合體在地面不對接，只是在進入地月轉移軌道後才對接，而在太空也從沒有任何一個鏡頭角度可以囊括四大艙段，所以地球人也就無法看到阿波羅飛船完全體的全景照片。

地球人永遠看不到阿波羅飛船合體全景照

誠然造成這種構型組合差異的原因是無人與載人的任務需求問題，然而時隔半個世紀後的嫦娥五號基於時代與技術的進步，在諸多領域不僅實現了對阿波羅飛船的超越，更是當代登月技術能力的手執牛耳者。那麼，這是大言不慚還是言之鑿鑿？

嫦娥五號從發射到返回前後將用時23天，在整個任務周期裡有23次軌道控制、6次重大分離，以及動力下降與月面上升等高難度操作，總體可以概括為11個重大任務階段，其中最能代表嫦娥五號引領超越的當屬月面軟著陸、月球軌道交會對接、月地軌道再入返回三大階段。

嫦娥五號近月制動

在經過112小時地月轉移軌道飛行與繞月飛行後，嫦娥五號著陸器與上升器組合體將擇機登月，它所使用的具有世界領先水平的登月控制技術得到了嫦娥三號、四號兩次任務的完美實踐檢驗。

嫦娥三號、四號、五號著陸器平臺技術一脈相承，著陸執行機構都有用於動力下降的7500N變推力發動機，同時配置有多臺150N、10N推力器用於姿態控制與機動。

除了複雜的執行機構最難的還是自主導航技術，任你發動機如何力大飛磚如果沒有明眸的雙眼照樣雞飛蛋打。

嫦娥四號著陸執行機構

阿波羅飛船在登月行動中主要靠太空人的肉眼與手動操作實現著陸，比如月面安全著陸區的選擇與著陸目標點數據都是手動注入，在距離月面150米高度時則必須依靠太空人手動控制。

NASA太空人手控登月艙地面訓練畫面

即便如此阿波羅11號任務還是出現了意外，在著陸段僅剩60秒時太空人阿姆斯特朗發現著陸點有一座直徑180米的環形山，如果不是他手疾眼快操控飛船越過障礙就會徑直撞向環形山。

NASA也有勘測者系列無人登月器，但也都是人為選擇開闊平坦區域著陸，並沒有自主避障能力。

勘測者月球探測器（模型）

與阿波羅飛船不同的是，我國嫦娥三號首次登月就應用了全自主避障系統，在整個登月下降階段沒有一絲一毫的人為幹預。

想要安全落月首先是建立下降彈道，然後在接近月面時啟動避障系統。以嫦娥三號為例，其登月行動是從距離月面15公裡高度開始，全程包括著陸準備段、主減速段、接近段、懸停避障段、緩速下降段五大階段，當著陸器進入接近段與懸停避障段時將基於敏感器獲取的平面與立體影像將視野內區域劃分網格，爾後基於設計的算法程序選擇安全著陸區與著陸點。

嫦娥三號落月各階段示意圖

如果視野內沒有理想的安全著陸點，那麼算法會根據月面坡度選擇最優位置著陸，這種極端情況在嫦娥四號任務中得到了充分驗證。

我國嫦娥探月工程從一開始就立足於形成全月面到達能力，攻克月球正面登陸任務後作為嫦娥三號備份產品的嫦娥四號執行的是複雜月背地形登陸任務。

嫦娥四號著陸點位於月球背面艾特肯盆地馮卡門撞擊坑，該著陸點周圍存在近萬米的高度差，嫦娥四號因此修改了登月彈道，由嫦娥三號的傾斜軌跡改為垂直下降，這樣一來不僅對動力系統要求更高，機動避障時間也更短，同時著陸點地形相較於嫦娥三號也更複雜。

嫦娥四號落月快速調整段

後來成功登月的事實證明我們的自主避障系統是可靠的，尤其是當玉兔二號將拍攝著陸器的高清照片回傳地球後發現，嫦娥四號著陸在了一個傾斜坡面上，而周圍都是撞擊坑，由此可見避障系統自主決策的正確性之高，以及著陸平臺優異的穩定性。

嫦娥四號在滿是撞擊坑的複雜月面著陸

要知道在距離月面2米高度發動機要關機，探測器是靠著陸腿吸收最後的衝擊能量，通過回傳地球的降落視頻可知，著陸器本體沒有因為傾斜坡麵條件下的衝擊力產生絲毫跳動，而是非常平穩的落月。

有人會說你拿人家半世紀前的技術對比好意思麼？那咱們就說說21世紀的事。

本世紀第一個十年大洋彼岸推出了旨在載人重返月球的星座計劃，服務該項目的登月艙計劃使用基於雷射雷達的自主避障系統，但在歐巴馬上臺後星座計劃被一紙命令終結，這套自主避障系統僅僅推進到方案設計階段就無疾而終。

星座計劃登月艙想像圖

與星座計劃戛然而止相反的是我國嫦娥三號2008年立項，用時5年研發後被成功部署於月球正面虹灣著陸區，而它所用的自主避障系統則是比星座計劃的雷射雷達更進一步，研製出了基於機器視覺理念的全自主避障系統，配置有導航慣性測量單元、雷射測距、光學成像、微波測距、雷射三維成像等一系列敏感器。

嫦娥落月平臺雷射三維成像

實際上自上世紀八十年代末以來至今大洋彼岸已有三次重返月球計劃，老布希最早提出重返月球，最終在小布希任內的星座計劃中得以局部推進，歐巴馬剛一上任就叫停了星座計劃，後來到了如今這任又上馬了阿爾忒彌斯重返月球計劃，眼瞅著明年又要換人了，最新的阿爾忒彌斯計劃又面臨延期可能。

就是在這走走停停的過程中，太平洋另一頭的我們已經成功實施兩次登月行動，並即將在嫦娥五號任務中迎來新質變，兩相對比可以發現這是一個多麼經典的龜兔賽跑故事。

嫦娥五號

正所謂一步趕不上步步趕不上，除了安全落月技術，大洋彼岸在深空軌道無人交會對接領域再一次落後於我們。

阿波羅飛船在整個任務行程中有兩次交會對接，一次是地月轉移軌道段指令艙與登月艙對接，一次是月面上升後上升級與指令艙對接，兩次對接都需要太空人肉眼觀測並操控飛船對接，自主對接能力非常弱。

阿波羅登月艙手動對接

而我國嫦娥五號將實施人類首次深空軌道無人交會對接任務，此次對接發生在嫦娥五號著上組合體完成月壤標本採集之後，上升器攜帶月壤樣本從月面起飛並在環月軌道與軌返組合體對接。

空間交會對接技術並不是中國獨家擁有，但深空太空飛行器自動交會對接技術卻是中國獨有。

通常近地軌道交會對接太空飛行器可以獲得地面測控網與導航衛星的幫助，以知曉追蹤太空飛行器與目標太空飛行器的空間位置，在此基礎上通過太空飛行器執行機構進行軌道控制，進而實施對接。

神舟十一號與天宮二號對接

深空太空飛行器因為遠離地球無法得到導航衛星提供的空間位置信息支持，因此對自主性提出了更高要求，而嫦娥五號就具備完全自主的交會對接能力。

深空無人交會對接首先要解決精確測定軌問題，我國已經建成覆蓋全球的深空測控網，佳木斯深空站66米口徑全可動測控天線、喀什深空站4座35米口徑測控天線、薩帕拉深空站35米口徑測控天線，加上中科院VLBI天文觀測網的多部大口徑射電望遠鏡，屆時這些重量級天線將對嫦娥五號月球軌道交會對接任務進行聯合幹涉測量。

服務嫦娥五號精確測定軌的深空測控體系

在解決精確測定軌問題後，月球軌道太空飛行器交會對接還得解決近距離交會難題，距離越近地面測控網的支持難度就越大，為此嫦娥五號應用了新一代空間交會對接光學成像敏感器，它可以在0至250米範圍內獲取位置和姿態高精度導航數據，且不受太陽光幹擾具備全天候運行能力。

測量敏感器地面試驗組件

嫦娥五號軌返組合體質量遠大於上升器，如果沿用神舟飛船的異體同構周邊對接機構就會出現軌返組合體將上升器撞飛情況，為攻克這一難題新一代抱爪式弱撞擊對接器應運而生，當兩器接近時抱爪式機構會提前運作將上升器抓住，爾後自動鎖緊，這樣一來上升器就不會被撞飛。

抱爪式對接機構

拿下深空軌道自主交會對接技術至少有兩大利好，首先接下來執行載人登月任務時對接任務可靠性將遠超阿波羅登月，更重要的是該技術將服務2028年火星採樣返回任務。

要知道火星距離地球最遠4億公裡，測控通信時延來回有幾十分鐘，地面支持力度會更弱，而全自主的嫦娥五號交會對接技術經過優化設計後可直接應用於火星軌道交會對接。

月地軌道再入返回是月球採樣返回以及載人登月任務的最後一道關卡，6年前我們專門發射了探月三期工程先導星嫦娥5號T1試驗器，驗證了第二宇宙速度再入技術，該探測器返回艙從月球返回後成功著陸於內蒙古四子王旗主著陸場。

嫦娥5T1月球近旁轉向拍攝的畫面

太空飛行器以第二宇宙速度再入地球大氣層將產生近3000攝氏度高溫燒蝕，這一指標遠超近地軌道太空飛行器的再入熱流燒蝕數值，因此需要進行特殊設計。

阿波羅飛船採用的是半彈道式直接再入，也就是硬抗3000攝氏度熱流燒蝕，有人認為這是很厲害的技術，恰恰相反這是落後的表現。

阿波羅11號指令艙（返回艙）

解決防熱燒蝕難題無外乎兩種手段，一種就是像阿波羅飛船那樣硬抗，手段就是加大防熱材料的敷設量，這樣一來雖然可以抵禦高溫燒蝕，但帶來了返回艙重量超重，壓縮太空人艙內生產空間等問題。

另一種手段就是設計跳躍式彈道使返回艙具備二次再入能力，返回艙首次再入大氣層抵達60公裡左右高度時利用質心偏移以及返回艙大底形成的弓形激波反彈回宇宙，爾後經歷大氣層外自由飛行段後二次再入大氣層，此時返回艙承受的熱流燒蝕數值將與神舟號飛船返回艙一致，防熱燒蝕材料用量將大大減少，返回艙可以做得更輕質。

高速半彈道跳躍式再入返回

當年阿波羅飛船在設計時也曾想選擇這種跳躍式彈道，但受限於星載計算機導致無法應用。

如今服務阿爾忒彌斯載人重返月球計劃的獵戶座載人飛船也將應用跳躍式再入方案，然而當他們還在紙上談兵的時候我國嫦娥5號T1、新一代載人飛船試驗船已經工程應用。

跳躍式再入返回的新一代載人飛船試驗船

除了上述列舉的三大技術領域，嫦娥五號的引領反超案例還有很多，比如返回艙減速傘輕量化設計與製備，我們早在嫦娥五號T1任務中就做到了世界第一的輕質水準。

再比如月壤樣本的採集封裝，阿波羅飛船採集了數百公斤月壤幾乎沒有應用封裝技術，導致很多月壤科研工作受限，當時其實已經發現月壤中有水的存在，但因為樣品受到汙染導致沒有拿到更多確鑿證據。

嫦娥五號月壤樣本容器採用了多級封裝設計，屆時我們將獲得原原本本不受汙染的月壤樣本，回到地面後不僅可以獲取一大批原創科學成果，還將加深對月球環境的認知，服務後續載人登月以及月面科研站的建設工作。

月壤樣本容器在軌轉移

為什麼佔據世界航天頭把交椅半個多世紀的大洋彼岸會在一個又一個技術陣地上失守，進而被我們拿下？

歸根結底是其保持可持續發展定力的欠缺，在這樣的背景下無論有再雄厚的技術積累最終也將在走走停停的過程中逐漸處於下風甚至是落後的境地，而這也是我們要吸取的經驗教訓。

近日探月總師吳偉仁一段去年參加航天日文藝晚會的視頻被挖掘出來，他表示要將一部分嫦娥五號採集的月壤樣本放置在湖南省，以告慰偉人。

不忘初心，牢記使命

無論走得多遠也不能忘記來時的路，中國航天能有今天的成就最該感謝的就是這位老人家，是他帶領航天人拿下了撬動世界格局的兩彈一星工程，創造了影響深遠的兩彈一星精神，中國航天今天所取得的一切成就也都離不開這位老人家確立的制度體系。