嫦娥五號出發,力爭實現中國航天史上5個「首次」

　　11月24日4時30分，我國在中國文昌航天發射場，用長徵五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器，開啟我國首次地外天體採樣返回之旅。這是航天科技人員在文昌航天發射場慶祝髮射成功。新華社記者 金立旺攝

　　2020年11月24日，嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場發射成功。這是我國探月工程「繞、落、回」三步走中，第三步的首次任務。

　　由中國航天科技集團有限公司研製的嫦娥五號探測器，是迄今為止我國研製的最為複雜的太空飛行器系統之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成，包含15個分系統。在此次任務中，嫦娥五號將經歷11個飛行階段，20餘天的在軌飛行過程，採集約2公斤月球樣品返回地球。

　　國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹，如果任務取得成功，有望創造我國航天史上的5個「首次」。

　　多種方式的月面自動採樣

　　作為此次任務的核心關鍵之一，月球表面自動採樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。

　　記者從航天科技集團五院了解到，嫦娥五號將在月面選定區域著陸，使出渾身解數採集月壤，實現我國首次地外天體採樣與封裝。

　　五院設計師們採用表鑽結合，多點採樣的方式，精心設計了兩種「挖土」模式：鑽取和表取。

　　當著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面，嫦娥五號就開始為期2天的月面工作。它隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等，將科學分工、精密配合，採取深鑽、淺鑽、「鏟土」「挖土」「夾土」等方式，採集約2公斤月壤並進行密封封裝。

　　據五院專家介紹，嫦娥五號任務採樣裝置為全新研製，技術新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束；採樣期間面臨月面高溫的工作環境；採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。因而採樣封裝是此次任務的核心環節之一。

　　月面起飛全靠太空飛行器自力更生

　　完成月面工作後，嫦娥五號就要踏上歸途。從月球回家可不容易，第一步能否邁好至關重要，這要突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。

　　嫦娥五號上升器在月面點火起飛，是一個高難度科目。

　　眾所周知，運載火箭在地球起飛有一套完備的發射系統，點火起飛位置經過精確測算，飛行軌道也是一遍遍計算好的。

　　而月面起飛就不一樣了，沒有一馬平川的發射場，更沒有成熟完備的發射塔架，上升器只能站在著陸器身上發射。而月球表面環境複雜，著陸器不一定是平穩狀態，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上，這都會增加起飛的難度。總而言之，整個起飛過程只能依靠太空飛行器自力更生。

　　五院專家介紹，面對傾斜發射的技術難題，需要明確起飛穩定性的各項因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現精確入軌，必須通過大量地面仿真和試驗對起飛上升發動機開展驗證。但月面環境的特殊性，低重力、高真空等環境模擬使得地面驗證較為困難。

　　經過一系列技術攻關，五院科研團隊成功開展了各項試驗驗證，建立了一整套環環相扣的系統保證任務，護送嫦娥五號離開月球。

　　人類首次月球軌道無人交會對接

　　嫦娥五號上升器從月面起飛後，將飛到月球軌道上。但要它憑藉一己之力將月球樣品送回地球，卻非力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器、返回器組合體交會對接，把樣品交給返回器，讓其完成接下來的旅程。

　　上世紀70年代，蘇聯成功實施了3次無人月球採樣任務，先後利用月球16號、20號、24號探測器，一共從月球取回300多克樣品。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者介紹，蘇聯採用探測器從月面起飛直接返回地球的方案。探測器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力極為有限。

　　經過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術，但是在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接，不僅在我國尚屬首次，而且也是人類航天史上的第一次，這給五院科研團隊帶來了極大挑戰。

　　記者從五院了解到，嫦娥五號月球軌道交會對接採用停靠抓捕式交會對接方式，且無衛星導航信號支持，對接和樣品轉移過程自主性要求很高。這需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計。

　　同時，月球軌道交會對接過程中，地面測控支持能力受限，受到對接機構大小的限制，對接精度的要求較高。此外，嫦娥五號對接機構中必須考慮樣品轉移裝置的設計，保證對接精度滿足樣品轉移相關要求。對接機構與樣品轉移機構一體化設計也是難點。

　　從上升器進入環月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移為止，五院設計師為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作，力助嫦娥五號精準完成樣品接力。

　　帶著月壤高速返回地球

　　近地軌道太空飛行器再入返回大氣層時，速度通常為每秒約7.9公裡的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風馳電掣般向地球飛來，速度接近每秒11.2公裡的第二宇宙速度。

　　每秒3公裡多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號衝勁過猛，一頭撞向地球，整個任務都將前功盡棄。

　　為此，科研人員首次提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案，就像在大氣層表面打水漂一樣，讓返回器先高速進入大氣層，隨後藉助大氣層提供的升力「跳」起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

　　2014年，我國發射嫦娥五號再入返回飛行試驗器，模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程，並對跳躍式再入返回技術進行了成功驗證，使我國成為繼美、蘇之後，世界第3個成功實施太空飛行器從月球軌道重返地面的國家。

　　不過，當年的試驗與如今的任務尚有細微差別。五院專家表示，嫦娥五號再入返回設計繼承了此前飛行試驗器的設計，任務再入航程也與飛行試驗器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定不確定性，有可能影響返回器的質量特性，這對返回器制導導航控制系統的魯棒性（控制系統在一定參數攝動下，維持某些性能的特性）提出了較高要求。

　　除了前述四點，裴照宇還表示，我國將首次實施完整的月球樣品存儲、分析和研究全過程。

　　從立項到發射，嫦娥五號任務團隊經歷了10年的艱辛奮戰。圍繞諸多關鍵核心技術和難點，五院充分研究繼承低軌道衛星、高軌道衛星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸與太空飛行器返回等技術經驗，聯合參研單位集中最強陣容攻克難關，確保了嫦娥五號探測器方案設計合理，各項功能性能滿足任務的要求，研製過程技術狀態和質量受控。

　　在接下來20多天裡，嫦娥五號能否成功完成任務如期歸來，讓我們拭目以待。（龐 丹 記者 付毅飛）