11月17日，長徵五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後，垂直轉運至發射區。圖源@中國探月工程
編者按
1978年，從月球帶回的380千克月巖石樣品中，美國拿出了小指尖大小的1克贈送給中國。此後，以地球化學專家歐陽自遠為首的中國科學家開始對其中的0.5克樣品進行研究，發表了14篇相關研究文章，並推斷出這是由阿波羅17號飛船航天員採集來的樣品。
2020年11月24日凌晨4點半，中國在海南文昌航天發射場成功發射月球探測器嫦娥五號。根據計劃，嫦娥五號將在月球採樣後，攜帶約2千克月壤和月巖回到地球。這意味著，中國科學家未來將能夠研究自己從月球帶回的樣本，也標誌著中國的探月工程，即「嫦娥工程」，規劃的環繞探測、落月探測和採樣返回探測（簡稱「繞、落、回」）的「三步走」發展戰略圓滿收官。
與此同時，探月四期工程已開始實施，其第一個探測器嫦娥四號目前正在月面工作，這一期工程的嫦娥六號、嫦娥七號和嫦娥八號也在計劃中。
中國為何要探月？中國探月工程如何誕生？未來將如何走？背後有著怎樣的故事？《知識分子》特邀全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩撰文，為讀者朋友們詳解中國探月工程的來龍去脈。
撰文 | 龐之浩（全國空間探測技術首席科學傳播專家）
責編 | 鞠 強
原文刊發於「知識分子」微信公眾號
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早期準備與立項
由於探測月球具有重大的科學、技術、政治和經濟等意義，所以隨著我國經濟和技術的發展以及綜合國力的提高，我國在開展人造地球衛星和載人航天之後與時俱進，於2004年適時開展了以月球探測為起點的深空探測活動。
其實，早在1991年，時任 「863」 計劃航天領域首席科學家的閔桂榮院士就提出中國應開展月球探測活動的建議，並成立了「863月球探測課題組」。
20世紀90年代中期，在美國提出重返月球，歐洲、俄羅斯、日本和印度等國家也相繼提出各自的月球探測計劃，世界上掀起第二輪探月熱潮時，我國也組織相關專家對開展中國月球探測的必要性、可行性進行過初步的分析與論證，並認為我國已經有能力開展月球的探測，可用有限的資金髮射一顆繞月探測器，並有一個簡易的月球探測方案。
但由於當時對月球探測尚未提出一個完整的發展規劃，缺乏長期和有深度的科學探測目標，同時，國家的經濟環境剛剛好轉，航天基礎還不像今天這樣紮實，只能做到簡單的環月飛行，對國家科技發展貢獻有限，尤其是國家當時正在實施載人航天計劃，所以這一探月計劃未能啟動。
不過，我國的月球探測研究工作並沒有停止。1996年，我國完成了繞月探測器的技術方案研究，1998年，國防科工委正式開始規劃論證月球探測工程。
2000年，中國科學院研究組完成《中國月球資源探測衛星科學目標》研究報告，提出了現今被廣泛接受並作為立項目標的 「繞、落、回」 三步走的設想。同年11月22日，國務院新聞辦公室發表《中國的航天》政府白皮書，「開展以月球探測為主的深空探測的預先研究」 被列入了近期發展的目標。
2001年10月，我國月球探測計劃項目立項。2004年1月23日，國務院正式批准了月球探測工程一期——繞月探測工程立項。這是我國向深空探測邁出的第一步，對我國的政治、經濟和科技的發展具有重要的戰略意義。
圖1 我國探月標識叫月亮之上，它以中國書法的筆觸，抽象地勾勒出一輪圓月，一雙腳印踏在其上，圓弧的起筆處自然形成龍頭，落筆的飛白由一群和平鴿構成，表達了中國和平利用空間的美好願望
2004年2月25日，經國務院批准，繞月探測工程領導小組成立並召開第一次會議，會議通過了《繞月探測工程研製總要求》，同時宣布我國繞月探測工程於當日起正式實施，並將繞月探測工程正式命名為 「嫦娥工程」。
深空探測能夠幫助人類研究太陽系及宇宙的起源、演變和現狀，認識空間現象和地球自然系統之間的關係，並為人類今後開拓更為廣闊的疆域打下基礎，是了解地球、太陽系和宇宙，進而考察、勘探和駐留在太陽系內其他天體的第一步。
我國的深空探測是從月球探測開始的，這是因為月球是離地球最近的一個星球，又蘊含著豐富的資源和能源，所以從技術性、科學性和經濟性等方面講，在深空探測領域先探測月球是符合科學規律的。
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三步走發展戰略
我國月球探測工程被列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》十六個重大專項之一。作為一項國家戰略性科技工程，月球探測工程將服從和服務於科教興國戰略和可持續發展戰略，以滿足科學、技術、政治、經濟和社會發展的綜合需求為目的，把推進科學技術進步的需求放在首位，力求發揮更大的作用。整個工程規劃貫徹 「有所為、有所不為」 的方針，選擇有限目標，突出重點，集中力量，力求在關鍵領域取得突破，持續發展，為深空探測活動奠定堅實的基礎。
通過探月工程的實施，突破無人月球探測的主要關鍵技術，實現對月球的環繞、著陸、巡視探測和採樣返回，形成空間探測器、深空測控網和運載火箭等一系列功能單元和自主創新的月球科研成果，具備開展無人月球探測的基本能力；初步建立中國深空探測的科學、技術和工程體系及創新團隊，為空間科學研究和深空探測的可持續發展奠定基礎。
依據循序漸進、分布實施、不斷跨越的原則，經過10年醞釀，作為國家重大科技專項的探月工程分為「繞、落、回」三個發展階段即將完成。
第一階段為繞月探測，即在2007年發射繞月探測器。主要任務包括：研製和發射繞月探測器；突破繞月探測關鍵技術，對月球地形、部分元素及物質成分、月壤特性等進行綜合探測；初步建立探月系統。這一階段要掌握地月飛行、遠距離測控和通信、繞月飛行、月球遙測與分析等技術，並建立我國月球探測航天工程初步系統。它原定通過嫦娥一號和嫦娥二號繞月探測器完成，其中嫦娥二號是嫦娥一號的備份。後來由於嫦娥一號表現出色，嫦娥二號改為第二階段的技術先導星。
第二階段為落月探測，即在2013年發射攜帶月球車的落月探測器。其主要任務是：突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發射等關鍵技術；研製和發射月球軟著陸探測器和巡視探測器，實現月球軟著陸和巡視探測，對著陸區地形地貌、地質構造和物質成分等進行探測，並開展月基天文觀測。這一階段主要掌握月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信和月夜生存等關鍵技術，為以後建立月球基地的選址提供月面的化學和物理參數。它原定通過嫦娥三號和嫦娥四號落月探測器完成，其中嫦娥四號是嫦娥三號的備份，後來由於嫦娥三號表現出色，嫦娥四號改為完成探月四期任務，並增加發射了嫦娥二號技術先導星，試驗嫦娥三號的六大關鍵技術和進一步勘查嫦娥三號的著陸地點等。
第三階段為採樣返回探測，即在2020年發射月球採樣返回器到月球表面特定區域軟著陸並採樣，然後將月球樣品帶回地球，在實驗室進行詳細研究。其主要任務是：突破採樣返回探測器小型採樣返回艙、月表鑽巖機、月表採樣器、機器人操作臂等技術，在現場分析取樣的基礎上，採集關鍵性樣品返回地球，進行實驗室分析研究；深化對地月系統的起源與演化的認識。這一階段主要掌握在月面自動採樣、從月面起飛、在月球軌道上進行無人交會對接、以接近第二宇宙速度返回地球等關鍵技術。它原定通過嫦娥五號和嫦娥六號採樣返回器完成，其中嫦娥六號是嫦娥五號的備份，後來根據需要，嫦娥六號改為完成探月四期任務，並增加發射了嫦娥五號再入返回飛行試驗器（簡稱嫦娥五號T1），用於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。
「嫦娥工程」 的每一步都是對前一步的深化，並為下一步奠定基礎。從 「繞、落、回」 三期工程的科學目標看，它們有明顯的遞進關係：環繞探測主要對月球進行全球性的綜合普查；落月探測主要是對著陸區附近進行區域性詳查，它包括原位探測和巡視探測，比較複雜；採樣返回探測主要是對月球進行區域性精查，因為科學家可在實驗室裡對採集的月球樣品進行詳細研究，但最為複雜，難度極大。
我國 「嫦娥工程」 既參考了以往國際探月活動的經驗，又具有我們自己的特色，始終圍繞推動中國高新技術領域 「原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新」 的目標制訂計劃並組織實施。
在航天科技方面，「嫦娥工程」 可逐步實現多項重大突破，首次到達地外天體，首次著陸在地外星球上，首次從地外星球拿回樣品。這些技術的突破能推進航天工程系統集成、深空測控通信、新型運載火箭和航天發射等航天技術跨越式發展，帶動信息技術、新能源技術、新材料技術、微機電技術和遙測科學等其他高新技術的發展。
在空間科學方面，通過首次對地球以外的星體和空間環境進行近距離和接觸式探測，能使我國對於空間科學的認識大大深化，為我國的天體物理學、空間物理學與材料科學的研究建立新的平臺，促進這些學科的創新和發展，並帶動更多基礎學科間的交叉、滲透與共同發展。
該工程還可促進我國經濟的可持續發展。前些年，我國經濟高速發展，一定程度上是以高能耗、高汙染為代價的。月球探測工程對高新科技的帶動能回饋於經濟，而以高新技術為動力的經濟是低能耗、低汙染、高效率的，符合可持續發展的方向。
「嫦娥工程」 也可開拓中國航天活動的新領域；對提高綜合國力，增強民族凝聚力具有重大作用；有利於在外空事務和未來開發月球中維護國家權益；促進中國高技術的全面發展；促進中國基礎科學的創新和發展；參與開發利用月球資源，促進人類社會的可持續發展；推進中國航天領域的國際合作。
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豎起第三裡程碑
我國探月一期工程，即繞月探測任務是通過發射嫦娥一號繞月探測器來實現的，標誌著中國航天向深空探測進發的開始。它歷經方案、初樣、正樣和發射實施四個階段，由繞月探測器、運載火箭、發射場、測控和地面應用五大系統組成。現已順利完成，取得豐碩成果。
圖2 繞月探測工程的5大系統：（1）月球探測器系統；（2）運載火箭系統；（3）發射場系統；（4）測控通信系統；（5）地面應用系統
探月一期工程有五大工程目標：研製和發射中國第一顆繞月探測器；初步掌握繞月探測基本技術；首次開展月球科學探測；初步構建月球探測航天工程系統；為月球探測後續工程積累經驗。
探月一期工程有四大科學目標：獲取全月面三維影像，這對於更好地了解月球的地質構造和演化歷史有著重要的意義；對月球表面有用元素進行探測，初步編制各元素的月面分布圖；探測月壤特性，獲取月壤厚度的全月分布特徵，研究月表年齡及演化，估算月壤中氦-3的分布和資源量；探測地月空間環境，研究太陽活動對地月空間環境的影響。
2007年10月24日,我國第1個月球探測器—— 嫦娥一號繞月探測器由長徵－3A火箭送入太空。它於2007年11月20日傳回所拍攝的第1幅月面圖像，從而豎起了繼東方紅一號人造地球衛星、神舟五號載人飛船之後，我國航天的第三個裡程碑。
圖3 嫦娥一號進行光照試驗
嫦娥一號運行在距月球表面約200千米高的極軌道上。與人造地球衛星相比，嫦娥一號採用了較多新技術，例如軌道設計、三體定向、溫度控制和紫外敏感器等 。
圖4 嫦娥一號的飛行軌道
嫦娥一號搭載了8種科學儀器：CCD立體相機用於獲取月球表面三維立體圖像,解析度120米；雷射高度計用於測量月球表面到嫦娥一號的高度數據；幹涉成像光譜儀、γ射線譜儀、X射線譜儀分別探測用於月球表面不同物質的化學元素；在世界上首次使用的微波探測儀用於測量月球的微波輻射特徵，從而反演月壤的厚度；太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器用於探測從地球至月球的空間環境。
2008年7月1日，嫦娥一號完成了全月球影像數據的獲取；2008年10月24日，它實現了在軌1年壽命，完成了各項任務。此後，科研人員又用嫦娥一號開展了變軌等10餘項驗證試驗。為了給探月二期工程 「探路」，積累落月過程控制和軌道測定方面的經驗，嫦娥一號於2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區域，成功完成硬著陸。
嫦娥一號累計飛行494天，其中環月482天，比原計劃多飛117天；飛行期間經歷3次月食；傳回1.37TB有效科學探測數據；獲取了全月球影像圖、月表化學元素分布、月表礦物含量、月壤分布和近月空間環境等一批科學研究成果，填補了中國在月球探測領域的空白。
圖5 中國國家航天局於2007年11月26日正式公布的嫦娥一號傳回的第1幅月面圖像。
例如，嫦娥一號的CCD立體相機首次實現了月球表面的100%覆蓋，使中國製作的 「全月球影像圖」 在幾何配準精度、數據的完整性與一致性、圖像色調等方面均在國際上處於先進水平。科研人員還提出了月球巖漿洋結晶年齡為39.2億年和月球東海盆地傾斜撞擊成因的新觀點等。
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落月探測兩姐妹
我國探月二期工程，即落月探測任務是通過先後發射嫦娥二號和嫦娥三號月球探測器來實現的，現已順利完成，取得豐碩成果。
（1）開路先鋒
由於落月探測要突破月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信和月夜生存等一系列關鍵技術，技術跨度和實施難度較大，因此，我國專家在經過反覆論證後決定，為了降低落月探測的風險，在發射我國首個落月探測器嫦娥三號之前，先於2010年10月1日發射嫦娥二號繞月探測器，來突破嫦娥三號的部分關鍵技術。
嫦娥二號運行在距月球表面約100千米高的極軌道上，設計壽命半年，解析度7米，主要完成兩大任務：一是對新技術進行試驗驗證，對未來的預選著陸區進行高解析度成像；二是獲得更加豐富和準確的探測數據，深化對月球的科學認知。
圖6 嫦娥二號器體外面用金箔保溫
嫦娥二號的科學目標與嫦娥一號一樣，但全面升級了有效載荷，且運行軌道低，因此所獲得的的數據精度更高。
與嫦娥一號相比，嫦娥二號實現了六個方面的技術創新與突破，它也是嫦娥二號的工程目標：突破了運載火箭直接將衛星發射至地月轉移軌道的發射技術；首次試驗了X頻道深空測控技術，初步驗證了深空測控體制；首次驗證了100千米月球軌道捕獲技術；首次驗證了近月點15千米、遠月點100千米軌道機動與快速測定軌技術；首次試驗了小型降落相機、監視相機、高速數據傳輸等技術；通過 「俯衝」，即變軌對嫦娥三號預選著陸區進行高解析度成像，解析度優於1.5米。
圖7 嫦娥二號上的發動機監視相機在近月制動時對月面成像（距月球100千米）。
嫦娥二號工程總設計師吳偉仁把嫦娥二號任務歸納為具有 「快、近、精、多」 四大特點。「快」 是指到達月球的時間縮短；「近」是指月球探測器的繞月軌道從嫦娥一號的200千米降低到100千米，最近點只有15千米；「精」 是指測量精度提高，運行在100千米軌道時相機解析度7米，運行在15千米軌道時相機解析度1米；「多」 是指試驗多，要進行軌道機動和使用降落相機等多項試驗。
2011年4月1日，嫦娥二號月球探測器半年設計壽命期滿。此後，它開展了多項拓展試驗，尤其是它離開了月球，於2011年8月25日在世界上首次實現了從月球軌道出發，受控準確進入日地拉格朗日2點環繞軌道，使我國成為世界上第3個造訪拉格朗日2點的國家和組織，並開展了日地空間環境探測。
圖8 嫦娥二號拍攝的圖塔蒂斯小行星
2012年6月1日，嫦娥二號又成功變軌，飛往圖塔蒂斯小行星。同年12月13日，嫦娥二號以10.73千米/秒的相對速度，與圖塔蒂斯小行星由遠及近 「擦肩而過」，首次實現我國對小行星的飛越探測，使我國成為世界上第4個探測小行星的國家。
嫦娥二號開創了中國航天通過一次發射開展月球、拉格朗日2點、小行星等多目標多任務探測的先河。
現在，嫦娥二號已經是太陽的人造小行星了，圍繞太陽做橢圓軌道運行，測控通信的最遠距離達到近1億千米時仍能收到信號，預計在2020年前後回到地球附近。嫦娥二號很好地完成了嫦娥三號的工程準備，為嫦娥三號選擇了很好的著陸點。
（2）闖過三關
嫦娥三號是我國探月工程二期的主任務。2013年12月2日，我國成功把嫦娥三號落月探測器直接送入地月轉移軌道。12月14日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實現了我國對地球以外天體的軟著陸。12月15日，嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車互相拍照，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術的國家。
其工程目標有三個：一是突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發射等關鍵技術；二是研製月面軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站；三是建立月球探測航天工程基本體系，形成重大項目實施的科學有效的工程方法。
其科學目標也是三個：一是調查著陸區與巡視區月表地形地貌與地質構造；二是調查著陸區與巡視區月表物質成分、月球內部結構以及可利用資源；三是探測地球等離子體層以及開展月基光學天文觀測。為此，嫦娥三號在世界上首次裝載了月基光學望遠鏡、極紫外相機和測月雷達三種科學載荷。
圖9 進行熱真空試驗的嫦娥三號著陸器、玉兔號月球車組合體
嫦娥三號由著陸器和巡視器（即玉兔號月球車）組成，所以發射嫦娥三號實際上是發射了2個月球探測器,能分別開展就位探測和巡視探測，這在國際上也是首次。
為完成工程任務，嫦娥三號必須闖過三大難關，即著陸關、巡視關和長月夜生存關。
嫦娥三號著陸器設計壽命12個月，著陸區為月球虹灣地區。馱著玉兔號月球車的嫦娥三號著陸器在落月時使用1500～7500牛變推力發動機（國內最大的變推力發動機）和降落相機等設備，克服了反推減速、自主控制和著陸緩衝三大技術難點，於12月14日安全落在了月球虹灣以東區域，一共耗時近700秒（又稱黑色700秒）。它落在了月球虹灣以東區域，而且降落很平坦，只有1°～2°傾斜，遠遠低於小於15°傾斜的要求。我國採用的懸停、避障的智能著陸技術具有國際先進水平。
圖10 嫦娥三號利用發動機反推減速在月面軟著陸過程的示意圖
嫦娥一號總設計師葉培建院士在接受我的採訪時介紹，著陸器的4條著陸腿的設計也很重要，研製中也曾經歷了多次斷裂，最後成功了，看起來都很簡單，過程卻是艱辛。葉院士回憶說：「非常可惜的是著陸腿的設計師陳天智去世了，倒在了工作崗位上。他從小立志要一心幹航天，是三清學子（清華大學本碩博畢業），日本留學的博士後，很能幹，很優秀。一講起他，我都是要掉眼淚的。我為他寫了副輓聯：清華學子，出類拔萃，獻身航天事業；大功未成，將星西去，佑我嫦娥落月。他父母收藏了這副輓聯，並捎來口信：沒有什麼其他要求，就是嫦娥三號成功以後，希望體現一下孩子做的工作。嫦娥三號成功後，由探月中心頒發了一個證書，體現了他在這個工程中所作的貢獻。」
此前，國外的月球著陸器多為盲降，所以成功率不高。即使在2019年，以色列和印度各自的首個落月探測器也都著陸失敗。所以說落月探測非常不易。
著陸後，著陸器攜帶的4種科學載荷先後開始就位探測。其中首次使用的極紫外相機利用月球具有真空環境、自轉速度慢等優勢，對地球周圍等離子體層的整體變化進行長達一年的全方位觀測，這有助於了解太陽和地球的相互關係，提高我國空間環境監測和預報能力。首次使用的月基光學望遠主要在近紫外波段對重要天體的光變進行長期連續監測，由於地球上有大氣層，很多地外天體發出的電磁波被地球大氣所吸收，其中包括紫外波段的光，而月球沒有大氣。
玉兔號月球車的質量為137千克，可6輪獨立驅動，4輪獨立轉向，具有爬20°坡、越20釐米高障礙的自主越障和避障能力，移動速度為200米/小時。它首次靠 「視覺」 來完成定位工作，當遇到超過20°的斜坡、高於20釐米的石塊或直徑大於2米的撞擊坑時，能夠自主判斷，安全避讓。
在脫離嫦娥三號著陸器之後，玉兔號用攜帶的4種科學載荷先後開始巡視勘察，其中首次使用的測月雷達裝在月球車底部，可用於在巡視過程中直接探測30米內月壤結構和100米深的淺層月殼結構。
月球的一天相當於大約28個地球日，因此月球的一個夜晚相當於地球上的14天。月球夜晚的溫度會降到-180℃左右，因此嫦娥三號在落月後面臨的最大難關就是長月夜生存。為此，嫦娥三號首次採用了同位素熱源以及導熱流體迴路、隔熱組件和電加熱器等，這相當於給探測器 「蓋被子」、「生爐子」 和 「開空調」，以確保艙內溫度控制在－50℃～50℃之間，使探測器系統能順利度過月夜，然後被喚醒工作。
航天具有高技術、高風險、高投入和高產出的特點，誰都不能例外。設計壽命3個月的玉兔號月球車運行了1個多月後就無法移動了。葉培建院士認為這個故障的原因是在設計上有兩處做得不到位：一是對月球環境有認識，但認識不到位；二是對可能出現的故障處理措施不到位。比較科學的解釋是：①由於月球車要輕小型化，所以設計得高度集成，相應部分沒有備份；②所有輪子的驅動機構控制電路都在一塊板子上，現在看有可能是一個驅動電路的電源有短路現象。根據地面的模擬試驗和推測，由於輕小型化，導線很細，可能是在它行走過程中駛過一塊大石頭時，有條導線表皮被石頭割破了，導線與月球車支撐體短路，這個原因可能性最大。但由於玉兔號在月面上，難以驗證，我們在後續設計時已充分考慮了這點，並採取了有效措施來避免這個問題（經過改進的玉兔二號月球車現已超期服役）。航天探索有很多未知需要人類不斷探尋，有很多問題需要重新認識。
圖11 根據玉兔號月球車的車輪痕跡、深淺可以推斷土壤的密度、孔隙、摩擦係數等性質
2016年1月4日，嫦娥三號著陸區的4項月球地理實體命名獲得國際天文學聯合會正式批准，分別是廣寒宮、紫微、天市和太微。至此，以中國元素命名的月球地理實體達到22個。
至今，嫦娥三號開展了 「測月、巡天、觀地」 的科學探測，取得了大量科學數據。同時，研究人員在月球淺表層地質結構、月基天文觀測以及地球等離子體觀測等方面取得了一系列創新性科學研究成果。它把我國探月一期工程的 「表面探測」 引申至 「內部探測」。
截至2020年10月，嫦娥三號著陸器仍在月面工作，是目前世界上在月面工作時間最長的太空飛行器。
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突破四大新技術
我國探月三期工程，即月球採樣返回探測是通過發射嫦娥五號T1和嫦娥五號來實現的，嫦娥五號T1已順利完成，嫦娥五號今天也踏上了飛往月球的旅程。
工程目標有3項：一是要突破一系列關鍵技術，提升我國航天技術水平；二是要實現首次地外天體自動採樣返回，推進我國科學技術重大跨越；三是要完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。
科學目標有2項：一是著陸區的現場調查和分析；二是月球樣品的分析與研究。它將以月球樣品和現場數據的比對研究為重點。為此，配置了降落相機、全景相機、月球礦物光譜分析儀和月壤結構探測儀4臺科學探測載荷,從而可以實現可見光、紅外、微波等多譜段探測。
（1）號稱小飛哥
嫦娥五號將執行月球採樣返回任務，即用返回艙把月球上的2千克樣品帶回地球，由科學家在實驗室裡進行細緻研究。不過，與返回式衛星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9千米/秒的第一宇宙速度返回不同，嫦娥五號返回器是以接近第二宇宙速度（11千米/秒）的速度返回再入大氣層。
圖12 嫦娥五號T1的返回器與服務艙分離後採用半彈道跳躍式再入返回示意圖
這項返回技術十分複雜，無法通過地面模擬得到充分驗證，是嫦娥五號月面採樣、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。因為返回器再入速度提高一倍，再入熱量將提高8～9倍，試驗容易被燒毀。
為了降低工程風險，確保嫦娥五號採樣返回任務的精確完成，我國決定先發射號稱 「小飛哥」 的嫦娥五號T1空間飛行器，以掌握返回器超高速再入返回的關鍵技術。
2014年10月24日,嫦娥五號T1升空。它先飛抵月球附近，然後自動返回地球，最終其返回器於同年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，在內蒙古預定區域順利著陸。
這是我國太空飛行器第一次在繞月飛行後再入返回地球，使我國成為繼蘇聯、美國之後，世界第三個成功回收繞月太空飛行器的國家，表明我國已突破和掌握了太空飛行器超高速再入返回的關鍵技術。
所謂半彈道跳躍式再入大氣層是指太空飛行器進入大氣層後，依靠升力再次衝出大氣層，以減速耗能，然後再次進入大氣層。換句話說就是採用「打水漂」的方式再入大氣層，在大氣層中 「一出一入」。這樣可延長返回器在大氣層內飛行的軌跡，消耗掉部分能量，減小著陸速度。考慮到我國內陸著陸場等各方因素，為實現長航程、低過載的返回，所以採用這種方式。
圖13 由服務艙（下）和返回器（上）組成的嫦娥五號T1在軌飛行示意圖
嫦娥五號T1的返回艙再入大氣層到距地球60千米時又再跳回到大氣層外，接著再次返回大氣層，這樣不僅可以降能減速，也有利於著陸點調整。這種返回方式也是首次試驗，它的開傘點距中心誤差不到600米，風速2千米，最後誤差是2.6千米，這是很了不起的。
嫦娥五號T1由服務艙和返回器兩部分組成，總重量為2噸多，返回器安裝在服務艙上部。其中的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，與探月三期正式任務中的返回器基本一致。
（2）似變形金剛
嫦娥五號月球採樣返回器是我國探月工程三期的主任務，2011年5月立項。它由上升器、著陸器、軌道器和返回器四部分像 「葫蘆娃」 一樣 「串」 在一起，計劃實現月面自動採樣返回，完成探月工程的重大跨越—— 帶回2千克月球樣品，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究。這是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一。
圖14 嫦娥五號探測器任務流程
從發射到返回的23天時間裡，總共有發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降、月面工作、月面上升、交會對接與樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收共11個重大飛行階段，其中包括23次重大的軌道控制和6次重大分離控制，以及動力下降和月面起飛、交會對接等很多風險比較高的項目，設計相當精妙複雜，類似變形金剛。整個飛行過程大致如下。
嫦娥五號被送到月球軌道後將兩兩分離，即軌道器－返回器（簡稱軌返）組合體留在軌道，著陸器－上升器（簡稱著上）組合體在月面上降落。
圖15 嫦娥五號探測器
著陸後，著陸器用兩個各自具有鏟子和鑽頭功能的機械手分別進行月球表面採樣和月球深層採樣，並且可以在月球上打出2米深的洞，鑽取的月壤必須原原本本，不能破壞原有的層次結構。採樣之後，在月球高真空的條件下包裝密封，不能有任何汙染，還要經得起返回時的各種惡劣環境。
接著，攜帶月球樣品的上升器從月面起飛，與軌返組合體交會對接，把樣品轉移到返回器後上升器與軌返組合體分離。
隨後，軌返組合體踏上歸途，二者在以接近第二宇宙速度飛到距地球幾千千米時分離。
最終，返回器採用半彈道跳躍再入方式再入地球大氣層，落至預定的著陸場。
圖16 嫦娥五號上升器離開月面示意圖
在實施過程中，要克服許多從未遇到過困難。例如：
著陸器上的採樣裝置要在1/6地球重力環境中在月面打鑽，鏟取月壤，並把採集到的月球樣品無汙染封裝到上升器內的容器裡。據葉培建院士介紹，「阿波羅」 飛船載人登月時就發現月球上有水，但帶回的樣本密封出現了問題，搞不清是在月球上有水還是在地球上被汙染了。所以，在低重力的環境下無人採樣和封裝非常不易。
此後，上升器要從著陸器上起飛。如何保證上升器在極短的時間內保持穩態上升是一大難點。由於上升器的火焰噴射之後會碰到著陸器，可能產生幹擾上升器的力，因此，如何對上升器進行良好的操控是一大難點。另外，著陸器不可能很平穩，無法像地球上的發射塔架那樣配置火箭導流槽，因此上升器要克服月面起飛軌道設計、月面起飛測控和發動機羽流導流等困難。
上升器進入月球軌道後要與軌返組合體對接，並把樣品轉移到返回器中。在月球軌道進行無人交會對接這在世界上是第一次，對接精度要求更高，同時還需要研製全新的輕量化對接系統。在地球軌道上進行交會對接，一般是 「小追大」，如 「神舟」 飛船追 「天宮」；而在月球軌道上進行交會對接，軌返組合體追上升器是「大追小」，所以難度更大，稍微控制不好就會偏離到太空中。
最後，返回器攜帶樣品返回地球時速度極高，摩擦更大，因此需要一個安全、穩妥的返迴路線，這對返回器的氣動外形、防熱材料以及控制都提出了新的挑戰。
圖17 嫦娥五號返回器返回地球示意圖
另外，嫦娥五號要以接近第二宇宙速度返回地球，並在我國的可控範圍內，這也是需要突破的關鍵技術之一。要控制好組合體的姿態，如果開始的出發點控制得不好，著陸點就可能偏離得過遠進而無法找到。
總之，完成嫦娥五號任務，要突破四大新技術，從而實現我國開展航天活動以來四個 「首次」：首次在月面自動採樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接；首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
值得關注的是，此前只有蘇聯在20世紀70年代進行過3次無人月球採樣返回，但總共只帶回330克月球樣品。這是由於蘇聯當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術，所以其3次無人月球採樣任務採用的都是月面起飛直接返回地球的方案，這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重，因此極大壓縮了採樣重量。而嫦娥五號這次採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，因此採樣的月球樣品重量呈幾何級提高。
6
四期工程
現任 「嫦娥」 系列各型號總指揮、總設計師顧問的葉培建院士指出，探月工程當初的 「三步走」 戰略定得很好，但走完這三步並不意味著探月工程的結束。
2019年1月14日，我國宣布了探月四期任務，並把嫦娥四號作為探月四期首次任務，後續還有三次任務。嫦娥四號已於2019年初在月球背面著陸並開展工作。
圖18 月球背面有更多的隕石坑
嫦娥六號計劃在月球南極進行採樣返回。到底是月背還是正面，要根據嫦娥五號的採樣情況來確定。
嫦娥七號計劃在月球南極著陸，對月球的地形地貌、物質成份、空間環境進行一次綜合探測任務。
嫦娥八號除了繼續進行科學探測試驗以外，還要進行一些關鍵技術的月面試驗。
嫦娥四號原來是嫦娥三號的備份，但嫦娥三號成功後，嫦娥四號該幹什麼，剛開始專家意見並不一致，為此論證爭吵了2年。分歧的核心是落在月球正面還是背面。剛開始，不少專家認為還是應該落在正面，比較牢靠，不會節外生枝。
圖19 試驗中的嫦娥四號
2019年獲 「國家榮譽稱號」 的葉培建院士當時則主張落到月球背面。有一次在國防科工局開會，已經準備寫會議紀要，確定要落在月球正面，但葉培建院士說：「我服從上級決定，只要定了我一定努力做好。但我不同意落在正面，我們已經落到過正面了，再去落一次有多大意思？」 經過多次討論，最後決定：落到月球背面。成功了，自然是一大亮點；不成功，人類第一次也可以原諒。先不要講什麼科學意義、技術帶動，單從邏輯學上看，落到月球背面的科學意義就是一句話：背面沒去過！
那麼，在月球背面進行落月探測有什麼意義呢？由於月球背面比正面保留著更為原始的狀態，所以對月球背面的環境、表面、淺深層和深層進行詳查，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。另外，因為在地球上永遠看不到月球背面，即月球背面可屏蔽來自地球和地球軌道的各種無線電幹擾信號，因而在那裡能監測到在地球和地球軌道無法分辨的宇宙中的低頻射電信號，有望取得重大天文學成果。
然而，正是由於在地球上永遠看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信。為此，我國創造性地先把 「鵲橋」 月球中繼星送入到了地月拉格朗日2點的暈軌道，這在世界上是首次。在這個軌道上運行的 「鵲橋」 能同時看到地球和月球背面，從而可為此後落在月球背面的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學數據。
嫦娥四號的工程目標有兩個：一是研製、發射月球中繼通信衛星，實現國際首次地月拉格朗日2點的測控及中繼通信；二是研製、發射月球著陸器和巡視器，實現國際上首次月球背面軟著陸和巡視探測。
其科學目標有三個：一是對月球背面的環境進行研究；二是對月球背面的表面、淺深層、深層進行研究；三是用低頻射電探測儀探測宇宙天體。
圖20 嫦娥四號的通信鏈路
2018年5月21日，我國發射了首顆月球中繼星 「鵲橋」。6月14日，「鵲橋」 進入地月拉格朗日2點的暈軌道。同年12月8日，我國成功發射了嫦娥四號落月探測器，它於2019年1月3日在月球背面的馮·卡門撞擊坑完成軟著陸，這在世界上也是第一次。
作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器（玉兔二號月球車）組成，但因為嫦娥四號與嫦娥三號的科學目標差異很大，因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化，更換了部分科學載荷，其中有些是來自其他國家的載荷。例如：
在嫦娥四號著陸器上裝載了德國的月表中子與輻射劑量探測儀。它能測量能量中性粒子輻射和著陸器附近月壤中的相關物質含量，探測著陸區的輻射劑量，分析月球遠側的輻射環境，為未來的載人登月航天員的危險度進行前期評估，提供相應輻射防護的依據。
在玉兔二號月球車上裝載了瑞典的中性原子探測儀，這將是國際上首次在月表開展能量中性原子探測。它對於研究太陽風與月表相互作用機制、月表逃逸層的形成和維持機制等關鍵科學問題有著重要的意義。
圖21 兩器分離後，月兔二號在月背留下了人類探測器的第一行「腳印」
嫦娥四號著陸器重3.78噸，設計壽命6個月。其上的有效載荷與嫦娥三號著陸器上的類似，仍裝有降落相機、地形地貌相機，但增加了國內新研發的低頻射電頻譜儀以及德國的月表中子與輻射劑量探測儀，去掉了嫦娥三號的月基光學望遠鏡、極紫外相機。裝有3根5米長的低頻射電頻譜儀天線，是嫦娥四號著陸器與嫦娥三號著陸器在外形上最顯著的區別。
玉兔二號月球車重135千克，設計壽命3個月，可以爬20°坡，跨越20釐米的障礙。其上仍裝有全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀，但增加了瑞典的中性原子探測儀，去掉了嫦娥三號的粒子激發X射線譜儀。因此，玉兔二號月球車也就不需要機器臂了，從而比玉兔號月球車輕了2千克，是世界探月史上質量最小的月球車。
圖22 嫦娥四號著陸器地形地貌相機環拍全景圖（圓柱投影）
另外，嫦娥四號的著陸方式與工作狀態跟嫦娥三號有很大區別，性能上也有很大提升。例如，由於嫦娥三號的著陸區相當於在華北平原著陸，而嫦娥四號的著陸區相當於在崇山峻岭的雲貴川地區著陸，所以嫦娥三號是以弧形軌跡緩慢著陸，而嫦娥四號採取近乎垂直的著陸方式。嫦娥三號在長月夜-180℃的環境中是不能工作的，但嫦娥四號則採用了新的能源供給方式—— 同位素溫差發電與熱電綜合利用技術，以保證其度過寒冷漫長的月夜，同時正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。
圖23 嫦娥三號與嫦娥四號動力下降過程對比
嫦娥四號已經或正在實現三大 「壯舉」：首次實現了人類探測器造訪月球背面；首次實現了人類太空飛行器在地月拉格朗日2點對地月中繼通信；正為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲得一批重大的原創性科學研究成果。
嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車現已分別於11月22日12時和3時10分完成第24月晝工作，進入月夜休眠。截至11月23日，嫦娥四號已在月球背面工作690個地球日，玉兔二號月球車累積行駛裡程589.6米。它們都超期服役，並取得了以下一系列豐碩的成果。
首次通過原位探測直接得到月球深部物質組成，揭示月球背面特別是南極艾特肯盆地複雜的撞擊歷史，對月壤的形成與演化模型提供關鍵證據，為日後南極著陸和巡視探測選址等提供重要參考。
圖24 玉兔二號月球車拍攝的月球背面
首次揭開月球背面地下結構的神秘面紗，極大地提高我們對月球撞擊和火山活動歷史的理解，為月球背面地質演化研究帶來新的啟示。
證實初級銀河宇宙射線撞擊月球表面，產生反照質子。這些成果為開展太陽風與月表微觀相互作用研究提供重要支撐，促進對月表輻射風險的認知，為未來月球航天員所受月表輻射危害估算及輻射防護設計提供重要參考。
在月球背面首次成功開展低頻射電天文觀測，獲得大量有效觀測數據。初步獲取40MHz頻率以下的月背著陸區電磁環境本底頻譜和低頻射電三分量時變波形數據，對於研究太陽低頻射電特徵和月表低頻射電環境具有重要科學意義。
圖25 美國「月球勘測軌道器」拍攝到在月球背面著陸的嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車
在不遠的未來，中國將繼續推進探月工程，探測月球兩極，建立月球科研站，並終將實現載人登月，圓中國人千百年來的夢想。
註：本文圖片均由作者提供。
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