嫦娥五號落月挖土

嫦娥五號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像 供圖/國家航天局

繼12月1日晚嫦娥五號探測器在月球正面風暴洋地區成功著陸後，2日凌晨，嫦娥五號著陸器和上升器組合體已經完成了月球「鑽取採樣」及封裝，目前正在進行「表取採樣」。嫦娥五號計劃的月面工作時間為兩天。

北京青年報記者從國家航天局獲悉，12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區，並傳回了著陸影像圖。12月1日22時57分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體從距離月面約15公裡處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器相對月球速度從約1.7公裡/秒降為零。其間，探測器進行快速姿態調整，逐漸接近月表；此後進行障礙自動檢測，選定著陸點後，開始避障下降和緩速垂直下降，平穩著陸於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。著陸過程中，著陸器配置的降落相機拍攝了著陸區域影像圖。

成功著陸後，著陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，正式開始了約兩天的月面工作——採集月球樣品。

據介紹，嫦娥五號在月面自動採樣的任務採用表鑽結合、多點採樣的方式，設計了鑽具鑽取、機械臂表取兩種「挖土」模式。首先完成的是鑽具鑽取——北京時間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鑽取採樣及封裝；之後將按計劃進行表取採樣。

看點

600公裡外「全自主跳傘」

在經歷了為期一周的地月轉移、近月制動、環月飛行之旅後，12月1日，嫦娥五號著陸器和上升器組合體終於成功在月面預定區域軟著陸。

歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落，這穩穩的一落看似輕盈輕鬆，卻蘊藏著嫦娥五號探測器抓總研製單位——中國航天科技集團五院的眾多智慧和積澱。

落月只有一次機會

邊飛行邊找尋落點

在距月面1.5公裡時，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；距月面僅百米時，嫦娥五號上的備用雷射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，待嫦娥五號飛到選定著陸點後，一個側身開始垂直下降，並在距離月面較近時關閉發動機、自由落體……

著陸腿緩衝著陸！至此，嫦娥五號完美落月！

嫦娥五號任務的落月和近月制動一樣，都只有一次機會，必須一次成功。

由於涉及採樣後上升器的月面起飛，所以，嫦娥五號落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程。相較於嫦娥三號、四號，嫦娥五號對於著陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要著陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務要求。可以說，落月的過程就是邊飛行邊找尋落點，在15分鐘內完成約600公裡外的「全程自主跳傘」。

為了實現「選址正確，落得準確」，嫦娥五號採用了中國航天科技集團五院502所已經在嫦娥三號和四號上應用的「粗精接力避障」方式，落月分為三步走：

在502所研製的制導導航與控制（GNC）系統指揮下，著陸器和上升器組合體先是大推力反向制動快速減速，然後快速調整姿態，並對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現「粗避障」。

然後組合體在飛到距離月面100米時懸停，並再次對選定區域進行精確拍照，實現「精避障」。

最後斜向下飄向選定的著陸點，在移動到著陸點正上方之後開始豎直下降，到距離月面較近時關閉發動機，再利用著陸腿的緩衝實現軟著陸。

擁有自主智慧財產權

嫦娥五號「大腿」顯身手

落月的關鍵在於「平穩」二字。而落月的技術難題之一，就是嫦娥五號著陸器和上升器組合體在落月時撞擊月面會形成較大的衝擊載荷，必須設計相應的著陸緩衝系統，吸收著陸的衝擊載荷，保證探測器不翻倒、不陷落。著陸緩衝機構，通俗地說就是嫦娥五號的「腿」。

這四條緩衝、支撐一體化的「腿」可不一般，它們來自機構分系統團隊的精心設計、巧手研製，更來源於嫦娥三號、嫦娥四號的完美基因。

據介紹，著陸緩衝機構具有完全自主智慧財產權的「偏置收攏、自我壓緊」式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩衝、穩定性等多方面的問題。

與嫦娥三號的著陸緩衝設計方案相比，由於任務難度增加，嫦娥五號任務的著陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%，這為研製團隊帶來了不小的難題。

面臨減重的難關，研製團隊反覆迭代，每次修改完設計，討論時一旦發現新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設計、繼續修改，最終達到了設計指標，確保了嫦娥五號穩定可靠地完成與月球的親密「擁抱」。

「閉眼睜眼」躲避月塵

定向天線輕便又可靠

嫦娥五號的落月過程中還有兩個精妙的設計。

首先，雖然表面上看是著陸器「背著」上升器軟著陸到了月面上，但實際上整個落月過程中，著陸器GNC系統的工作和智能自主的指揮過程都藉助了「外腦」和「外眼」：「外腦」是上升器月面起飛時要用的「最強大腦」中央控制計算機，「外眼」則是通過「看星星」確定自己姿態的星敏感器。這是設計人員根據「上升器全程陪同著陸器」的實際想出的妙招，既節約了成本又減輕了重量。

其次，由於距離月面較近時主發動機「激起」的月塵汙染星敏感器，從而影響上升器月面起飛，所以科研人員專門設計了蓋子，在距離月面一定的高度時把星敏感器的鏡頭蓋起來，待落月後月塵散去，再通知星敏感器把蓋子打開，這「一睜眼一閉眼」之間，著陸器和上升器組合體已經順利著陸在月亮之上了。

38萬公裡外的嫦娥五號正經歷著什麼樣的考驗？所有信息都需通過著陸器和上升器組合體的一口小小的「鍋」來時時傳送遙測數據。這個「小鍋」就是定向天線——把探測器上的數據傳輸到地面的發射轉換裝置。

從月球把數據發送回地球，通信的距離相比地面手機通信遠了幾萬倍，這就需要採取特殊的對地定向天線來發送數據。五院總體設計部設計的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅動機構。雙軸驅動機構就像人的肩關節、肘關節，驅動反射天線輻射器靈活地轉動，確保「小鍋」始終對準地面。

據介紹，為了使整器減重，此款反射面天線極致輕量化設計，相比同類天線減重40%以上，既輕便又可靠。

本版文/本報記者 雷嘉

通訊員 段遜 葉雨恬 韓潤奇

薛英民 高曉燕 薛欣

揭秘

「嫦娥」奔月帶了哪些「裝備」？

北京青年報記者了解到，中國科學院的科學家制定了嫦娥五號任務的兩個科學目標：一是開展著陸點區的形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯繫；二是對返回地面的月球樣品進行系統、長期的實驗室研究，深化月球成因和演化歷史的研究。「這次嫦娥五號能夠採回月壤樣品，一定能對科學研究有很大的提升。」中科院國家空間科學中心的嫦娥五號有效載荷分系統副主任設計師王雷表示。

要去38萬公裡外的月球上完成超高難度的「挖土」，嫦娥五號肯定要擁有一些特殊技能，上面裝載的有效載荷就是關鍵「神器」。據王雷介紹，嫦娥五號配置了多種有效載荷，包括全景相機、全景相機轉臺、降落相機、月球礦物光譜分析儀、月壤結構探測儀、有效載荷數據處理器等。這些有效載荷的性能指標比嫦娥四號均有一定提升。

例如，嫦娥五號攜帶的「月球礦物光譜分析儀」是嫦娥四號「紅外成像光譜儀」的升級版，有望對可能存在的水的賦存形式進行分析。「降落相機」則可以獲得更高解析度的月表圖像。「月壤結構探測儀」的功能與嫦娥四號「測月雷達」類似。不過根據兩次任務的不同特點，技術人員為其設計了新形式。這樣，除了可用於月壤厚度和結構探測外，它還可以在鑽取工作開始前對鑽取區月壤下的石塊進行分析判斷，為鑽取策略提供支持。「有效載荷數據處理器」是載荷分系統的「心臟」，負責有效載荷與探測器的統一接口，對載荷進行供電、數據傳輸、擴展遙測、指令發送等技術支持。

值得一提的是，與嫦娥四號一些載荷在月午不工作的情況不同，嫦娥五號需要載荷在月午期間工作，這給整個研製團隊帶來了挑戰，要針對月面高溫進行適應性設計。例如，「全景相機」的工作溫度上限有所提高，全景相機轉臺不僅要適應較大的溫度變化，還要保證一定的指向精度。「月球礦物光譜分析儀」也採用新方案，為實現高溫環境下獲得有效科學數據奠定基礎。

「最年輕」月壤如何獲取？

此次嫦娥五號的月球著陸區域名叫「風暴洋」，周圍有1300米高的火山群，環境之險峻名副其實，讓嫦娥五號此行更加充滿探險的意味。隨著嫦娥五號的造訪，月球風暴洋舉世聞名。

科學家們認為，著陸在此是十分明智的選擇。從地球上看起來，這裡更像是廣闊、黑暗的熔巖平原。

過去，這裡還從未有過任何人類探測器到訪過的足跡。

為何選擇在這裡？雖然這裡和嫦娥三號在月球虹灣著陸點的緯度基本相當，但根據目前研究成果，這塊區域形成的地質年代較短，約37億年。中科院國家天文臺專家表示，此次嫦娥五號有望獲取最年輕的月球返回樣品，在月球火山活動和演化歷史研究等方面取得原創性的科學成果。

由於涉及採樣後上升器的月面起飛，嫦娥五號落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程。專家介紹，相較於嫦娥三號、四號，嫦娥五號需要著陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑，並且坡度要符合任務要求，這對著陸點的位置精度和平整度方面提出了更高要求。

後續，嫦娥五號將同時用「表取和鑽取」兩種方式採樣。「表取」，顧名思義就是從月球表面通過機械臂和機械爪的配合，抓取一部分月壤。而「鑽取」則是要通過特殊的鑽頭，鑽到月表以下兩米左右的位置，把月壤整體取出來。

「這樣能夠更加原汁原味地保留月表以下兩米的月壤構造情況，讓科學家們能夠更加清楚地了解到月壤的構造和分布以及每一層的特徵。」中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器鑽取子系統技術負責人王國欣說。