嫦娥五號的48小時:詳解38萬公裡外的「神操作」

新京報快訊（記者 倪偉）自從12月1日23時11分嫦娥五號著陸月球表面，之後每個深夜，都傳來新的消息。鑽取完成、採樣結束、點火起飛、返回軌道……一系列操作按計劃順利進行。

每一步都是中國航天領域的首次嘗試。雖然在地球上經過成千上萬次試驗，但由於月表複雜、極端的環境，以及測控、導航的「鞭長莫及」，很多關鍵動作只能依靠探測器自主決策，每一步都蘊含著風險。

從12月1日到3日深夜，這48小時裡，38萬公裡之外的嫦娥五號到底進行了哪些「神操作」？地面上的科研人員又實現了哪些突破？

嫦娥五號著陸器和上升器組合體著陸後全景相機拍攝的環拍成像。國家航天局供圖

月面採樣「採得多」：

一次採集量為蘇聯20倍，「金剛鑽」用上「人工智慧」

12月1日23時11分著陸後，嫦娥五號開始了為期2天的月面工作，實際採集樣本時間為19小時。整個嫦娥五號任務中，最核心關鍵的操作，就是自動採樣和封裝。能帶回多少樣品，能否保持樣品無汙染、高質量，全在此一舉。

首次月面採樣困難不少，需要考慮探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束。著陸後不能移動，鑽取採樣裝置正下方的地面是鬆軟的土壤，還是堅硬的巖石，登陸前不能確定。

航天科技集團五院設計師為嫦娥五號設計了兩種「挖土」模式：鑽取和表取。鑽取是利用鑽頭鑽進月表2米深處，採集深層樣品；表取是在降落點附近月球表面多點採樣，採集月表樣品。

據鑽取系統研製單位航天科技集團五院 529 廠介紹，採樣機構的鑽頭，是從16種設計方案中選中的，具備對8級硬度巖石的鑽進能力。針對不同顆粒度月壤，會採取切削、撥、擠、 排等不同操作。

嫦娥五號在月球表面自動採樣。國家航天局供圖

鑽取系統也有「人工智慧」的幫助。在地球上，已經進行了上千次試驗，形成不同工況的鑽取參數資料庫。資料庫支撐月表工作決策，鑽頭在月表之下遇到不同工況，鑽取系統可以在「迴轉」「衝擊」和「迴轉+ 衝擊」三種模式中自由切換，適應複雜的情形。

嫦娥五號帶回的樣品重量，被設定為2千克，這是依據探測器運載能力等因素綜合考慮的。中國科學院國家天文臺研究員鄭永春認為，實際上，2千克月球樣品不僅不少，可以稱得上很多了。

同樣以無人採樣返回的方式，蘇聯曾成功開展過三次月球任務，一共帶回300多克樣品，平均一次帶回的量僅為嫦娥五號的1/20左右。美國採集的樣品很多，一共381.7千克，是通過6次載人登月任務由航天員手動「搬」回來的。

鄭永春表示，從科研需求角度來看，2千克樣品已足夠支撐科學研究。隨著科技的進步，科學家希望得到的不是某一區域的更多樣品，而是在月球多個區域的取樣。

此次嫦娥五號採樣的地點，正是此前人類探測器從未到過的區域，有望為月球火山、地質活動演化帶來新的研究成果。

嫦娥五號上升器點火起飛瞬間。供圖/國家航天局

月面起飛「飛得穩」：

沒有「地勤」支持，一切都靠自己

12月3日23時10分，完成月表工作的嫦娥五號上升器點火起飛，這是我國太空飛行器首次在地外天體起飛。

這與在地面發射火箭不同，地面有完善的發射場系統和保障團隊，起飛位置和姿態可以精準測算，保障措施齊全。但月面起飛沒有「地勤」支持，一切都靠自己，還必須一次成功。

起飛時，著陸器就是上升器的「發射塔架」。上升器在起飛前數小時進入準備程序。地球上的科研人員根據上升器姿態和位置等數據，計算上升器起飛時間、姿態軌道調整參數等數據，遠程注入上升器的控制系統，設定預定起飛時刻。

預定起飛時刻來臨，主發動機自行點火。在起飛最初一小段距離，上升器不進行姿態調整，之後會迅速調平，豎直上升。到達一定高度後，按照既定程序拐彎，以一定角度轉入軌道入射段。整個過程約6分鐘，飛行約250公裡，上升器順利進入了交會對接初始軌道。

上升器在月面逗留期間，軌道器和返回器組合體同時在環月飛行。組合體也沒歇著，完成了4次軌道調整及支撐艙分離等操作，做好準備，等待「接機」。

上升器進入交會對接初始軌道後，還要進行多圈飛行，完成4次遠程導引，來到軌道器和返回器組合體斜上方位置，準備交會對接。對接成功後，上升器將採集的樣品轉移到返回器裡，然後分離，完成使命，留在環月軌道上。

嫦娥五號著陸器和上升器組合體全景相機拍攝五星紅旗在月面成功展開。國家航天局供圖

月面展旗「不褪色」：

月球第一面織物五星紅旗，選材超過1年

完成了樣品採樣和封裝，在起飛回家之前，嫦娥五號還抽空幹了件事：展開五星紅旗。

這面紅旗很小，重量只有1公斤，被收納在「旗杆」裡，固定在基座上，一直處於密封狀態。展旗的時候，經過解鎖、支架展開、支架固定等步驟，以捲軸形式打開，一系列動作在1秒鐘內完成。

這個看似簡單的動作，也創造了中國航天的一個首次。嫦娥三號、四號在月球展示的國旗，都是噴塗在探測器上，不需要特別操作。而嫦娥五號的國旗是獨立的機構，有展開的動作，也是唯一一面織物國旗。

據嫦娥五號月面國旗展示系統研製方航天三江九部介紹，因為月面的極端環境，溫差在正負150攝氏度間，單一纖維和紡織工藝無法滿足要求。要麼是強度不夠，要麼是染色性不足，普通國旗放在月球上，會迅速褪色、串色，甚至分解。

選材花費了超過1年的時間，研製人員對數十種纖維材料做了大量物理實驗，最終選出一種新型複合材料，能夠在月球實現不褪色、不串色、不變形。

為了控制重量，研製團隊還對結構優化設計，儘量將結構件做薄、做小。研製和加工人員想了很多辦法，千方百計減重。

比如旗杆頂端用來固定的球，為了減重要做成空心，重量小到極致。加工人員從玩具扭蛋中得來靈感，製作兩個半球，用螺紋組合為完整球體。這項工藝相當於在頭髮絲上做微雕，還獲得了發明專利。

月球軌道交會對接效果圖。供圖/航天科技集團八院

月軌對接「交得準」：

21秒內完成對接、鎖緊，沒有衛星導航全程依靠自主

12月3日晚，嫦娥五號上升器進入環月軌道後，下一步任務就是交會對接，然後將樣品轉移到返回器，由返回器帶回地球。

這一過程對探測器的自主要求也非常高。與神舟飛船與天宮一號、二號在近地軌道的交會對接不同，嫦娥五號月球軌道的交會對接機構非常小，精度要求更高，如太空「穿針」，而且無法利用衛星導航信號提供支持。

對接完成後，還要進行一個重要動作，將上升器裝有月壤的樣品容器轉移到返回器中。捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，在38萬公裡之外高速運行的飛行器上，每一步操作都帶著風險。

航天科技集團八院對接機構與樣品轉移分系統技術負責人介紹，對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此做了35項故障預案，全部採用自動控制。

值得注意的是，順利完成月面交會對接，意義超出此次任務，還將在載人登月上派上用場。嫦娥五號四個器的構造設計，與美國阿波羅載人登月任務的構造有相似性。中國探月工程副總設計師於登雲此前表示，嫦娥五號將為將來載人登月做技術驗證，載人登月必然要在月球軌道交會對接，這是最安全也最經濟的方式。

新京報記者 倪偉

編輯 樊一婧 校對 盧茜