中國探月三期的主任務:發射嫦娥五號採樣返回器

（原標題：「四器」組合的嫦娥五號採樣返回器）

我國探月三期的主任務是發射嫦娥五號採樣返回器，從月球取回2千克月樣品到地球實驗室供科學家進行精查。其目標是實現我國首次月面自動採樣返回，對返回樣品進行系統分析與研究，深化對月球和地月系統的起源與演化的認識。

嫦娥五號採樣返回器釋放攜帶月球樣品的返回艙返回地球示意圖

其工程目標是：突破月表自動採樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、地球大氣高速再入、月球樣品儲存等關鍵技術，提升航天技術水平；研製並發射月球探測器，實現我國首次月面自動採樣返回，實現航天技術的重大跨越；實現月球軌道交會對接技術；完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定基礎。

其科學目標是：進行著陸區的探測與研究；採集月球樣品並返回地面，對返回樣品進行系統的巖石學、礦物學同位素地質和地球化學的分析於研究，結合月面物質成分的分析數據，深化對月球和地月系統的起源與演化的認識。

我國月球採樣返回計劃通過發射嫦娥五號和六號來實現的，其中嫦娥五號採樣返回器定於2019年用長徵五號發射，嫦娥六號是嫦娥五號的備份。

嫦娥五號返回艙攜帶月球樣品返回地球時，將以接近11.2千米/秒返回再入大氣層。這項技術十分複雜，無法通過地面模擬得到充分驗證，所以是未來嫦娥五號月面採樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回四大關鍵技術中最難的一項，風險很大。

為此，我國在2014年10月24日先發射了1個名叫嫦娥五號試驗器的太空飛行器來探路，驗證高速返回技術。它先飛抵月球附近，接著，自動返回地球，最後試驗器的返回艙於2014年11月1日採用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層，最終通過傘降形式在內蒙古四子王旗預定區域順利著陸。這是我國太空飛行器第一次在繞月飛行後再入返回地球。它的成功表明，我國已全面突破和掌握了太空飛行器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術。

採用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層示意圖

採用跳躍式返回方式增加了在大氣層的「一出一入」，這類似達水漂，目的是延長試驗器在大氣層飛行的軌跡，消耗掉返回器的部分能量，從而減小著陸速度，以便選擇降落區。蘇聯和美國探月時也曾利用過類似原理著陸，但其航程沒我國的長，而著陸場比我國的大。

這項任務需要攻克氣動力、氣動熱、防熱、半彈道式制導導航與控制系統等關鍵技術。研究表明，再入的速度提高1倍，再入熱量就將提高8～9倍，以第二宇宙速度再入大氣層時摩擦會產生巨大的熱能，所以必須做好返回器的熱防護設計。

嫦娥五號試驗器由服務艙和返回器組成，重2噸多。其服務艙以嫦娥二號平臺為基礎進行適應性改進設計，具備留軌開展科研試驗功能；返回器為新研產品，外形類似「神舟」飛船返回艙，但小一些，重量約330千克，具備返回著陸功能，與探月三期任務中使用的返回器基本一致。 

由服務艙（下）和返回器組成的嫦娥五號試驗器

該試驗器採用繞月自由返回軌道，在經過發射段、地月轉移段、月球近旁轉向段、月地轉移段、返回再入段和回收著陸段6個階段後在內蒙著陸。返回再入走廊非常窄，返回器再入角只有正負0.2°。如果再入角過小，試驗器就不能返回地球；如果再入角過大，不能實現第一次的彈出，會越過了既定的防護設計。

這次任務的完成實現了四大技術突破：①高速的氣動力、氣動熱技術；②高熱量、大熱流的熱防護技術；③高精度、高動態的制導導航控制技術；④長距離、大範圍的再入回收測控技術。

定於2019年發射的嫦娥五號採樣返回器是我國探月工程三期的主任務，由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成。它不僅要完成落月，還要攻克「採樣」、「封裝」、「上升」、「對接」、「高速返回地球」等技術難題。

嫦娥五號採樣返回器的結構

在執行任務中，嫦娥五號的「四器」被送到月球軌道後將兩兩分離，軌道器-返回器組合體留在月球軌道，著陸器-上升器組合體落到月面上；著陸後，著陸器用兩個機械手進行月面採樣和鑽孔取樣，並將樣品放入上升器攜帶的容器裡進行封裝；隨後，上升器從月面起飛，在月球軌道與軌道器-返回器組合體交會對接，把樣品轉移到返回器後分離；接著，軌道器-返回器組合體踏上返回地球的歸途，在以接近第二宇宙速度飛到距地球幾千千米時兩者分離；最後，返回器在地球著陸。

嫦娥五號將實現多個首次：首次在月球表面上自動採樣；首次從月面起飛；首次在月球軌道上實現無人對接；首次攜帶月球樣本飛回地球；首次以接近第二宇宙速度在地面著陸。

值得注意的是，它在月面取樣後要封裝，要求不能有任何汙染；上升器在月面上起飛是我國太空飛行器第一次在地外天體升空；它在月球軌道與軌道器-返回器組合體的交會對接與「神舟」飛船與天宮交會對接不同，難度大、精度高；最後，嫦娥五號要以接近第二宇宙速度的速度，返回到地球上的中國可控範圍。

嫦娥五號落月後展開機械臂示意圖

我國探月三期任務完成後，還將對月球兩極進行落月、巡視、採樣返回探測，我國正在規劃探月四期工程，擬在月球建立一個基地，一開始是通過智慧機器人來控制的基地，在我國進行載人登月以後，人也可以再上去進行短期的照料。

上升器離開著陸器

另外，我國將在2020年發射首個火星探測器。它由軌道器、著陸器和火星車組成，擬通過一次發射實現「環繞探測、著陸探測、巡視探測」三個目標，這在世界火星探測史上是從所未有的，具有很大的挑戰性。

我國火星軌道器將工作一個火星年。火星車壽命為地球的92天。它們共載13臺科學載荷：不同解析度的相機，探測火星淺層結構的淺層雷達等，探測火星的形貌、土壤、環境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場和內部結構。

綜合考慮多種因素，我國火星著陸區在火星北緯5°～39°。從光照考慮，落在火星赤道附近好，但那裡地形複雜。另外，由於在火星登陸，99%以上減速是靠火星大氣，因此著陸點海拔越低減速時間越長，著陸越安全。

此後，我國將進行火星採樣返回探測，探測小行星等。 

（杭添仁）

本文來源：網易軍事 責任編輯：葉智發_NBJS6073

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