嫦娥五號王者歸來,就為取兩公斤月球樣本?雄心壯志毫不掩飾

嫦娥探月工程自2004年正式啟動以來取得了嫦娥一號、二號、三號、五號T1、四號共計5次任務的連戰連捷，期間還部署了一顆距離地球約45萬公裡的鵲橋中繼通信衛星。連續突破月球環繞探測、月面軟著陸探測、月面巡視探測、近第二宇宙速度月地返回、月背探測等一系列世界級月球探測工程難題，不論是月球探測器發射數量亦或者質量中國都毫無疑問是人類21世紀的探月先鋒力量。

登陸月球的嫦娥三號著陸器

嫦娥探月從一開始就確立了「繞、落、回」三步走發展規劃，工程立項僅三年嫦娥一號即實現繞月探測，早在嫦娥三號完成落月任務前兩年旨在完成第三步「回」任務的嫦娥五號就已於2011年5月正式立項。

嫦娥五號預定發射日期一變再變，從最早計劃的2017年年底，再到2019年，直至2020年才最終一錘定音，在這一拖再拖的任務時間變更中我們深刻領會到什麼叫做「運載火箭運力有多大，航天舞臺就有多大。」。

嫦娥五號發射任務數度推遲

雖然嫦娥五號核心任務是「採樣返回」，但實質卻是「繞、落、回」三大任務缺一不可，是對整個嫦娥探月工程啟動實施16年來的一次系統大考。由於一次發射需要承擔多項工程任務導致探測器發射質量急劇增大至8.2噸，對比嫦娥四號不到4噸的發射質量翻了一番還有盈餘。

嫦娥五號飛船的四大艙段

我國具備地月轉移軌道8噸級發射能力的火箭唯有長徵五號，它可以將9噸左右載荷直送地月轉移軌道。換句話說如果沒有長徵五號，那麼嫦娥五號也就無從談起。

長徵五號作為一款新研火箭需要通過實際發射驗證才能承運高價值的嫦娥五號，按照計劃2017年7月2日長徵五號遙二火箭完成發射經過可靠性驗證後，當年11月長徵五號就將執行嫦娥五號發射任務，但遙二任務的失利導致後續發射計劃推遲。

長徵五號奔月軌道運力居世界第二

遙二任務後長徵五號團隊就開始了漫長的歸零工作，嫦娥五號也只得等待長徵五號遙三火箭復飛成功後才能實施發射。

2018年長徵五號團隊完成了遙二火箭問題定位，準備當年年底前實施遙三火箭發射，然而YF-77氫氧發動機地面試車時一位年輕的技術員發現了細微裂紋問題，遙三任務再度推遲，直至2019年YF-77發動機完成可靠性增長試車後遙三火箭才推向發射塔架，此時已是2019年年底。

YF-77氫氧發動機可靠性增長試車

令人欣慰的是，在落實數百項改進措施之後長徵五號遙三發射任務收穫了大滿貫，實踐-20號衛星不僅精確入軌，通過打遠地點6.8萬公裡的超地球同步軌道也同步驗證了奔月軌道發射能力。

長徵五號遙三火箭勝利復飛

今年5月5日，長徵五號B遙一火箭的再度成功則進一步驗證了產品技術的高可靠性，為嫦娥五號時隔三年的王者歸來奠定了堅實基礎。

長徵五號B遙一運載火箭

擁有8.2噸發射質量的嫦娥五號不僅是我國最大噸位無人深空探測飛船，更是全球最大噸位無人深空探測飛船。

嫦娥五號不僅體格大而且極具內涵，要在22至23天任務周期裡連續完成11個高難度科目：

動作1：2020年11月24日凌晨某一時刻，文昌發射場使用長徵五號遙五運載火箭搭載嫦娥五號飛船發射入軌。

以YF-75D為動力的長徵五號氫氧二級

可不要小看這一環節，當下放眼全球能將8噸級飛船直送地月轉移軌道的玩家有且僅有兩個，一個是大洋彼岸，另一個就是我們。

具體而言就是三型火箭，分別是重型獵鷹、德爾塔-4、長徵五號，其中長徵五號9噸左右的地月轉移軌道運力優於德爾塔-4，這主要得益於採用先進膨脹循環系統的第三代高空氫氧發動機YF-75D的應用，使得火箭擁有更為優異的高軌運力。

動作2：4天半左右時間的地月轉移軌道飛行。

器箭分離

與長徵五號遙五二級火箭分離後嫦娥五號軌道器與著陸器將分別展開太陽翼，展開後的太陽翼呈十字交叉布局，目的是避免光照遮擋。

嫦娥五號地月轉移飛行

地月轉移飛行期間地面深空測控網將實時測定探測器軌道位置，並視情決定是否需要軌道修正。經過嫦娥二號、三號、四號共計3次地月直接轉移飛行任務的歷練，嫦娥五號奔月之路將更加平穩。

動作3：近月制動。

當嫦娥五號飛抵近月點約200公裡位置時，需要進行反推減速也就是俗稱的「太空剎車減速」以滿足環月飛行速度條件，如果沒有及時減速飛船將飛離月球，而如果減速過猛飛船也可能撞上月球，因此需要精確計算點火時間。

近月制動

不同於嫦娥一號、二號的490N軌控發動機，也不同於嫦娥三號、四號使用的7500N變推力發動機，嫦娥五號軌道器使用的軌控發動機推力是3000N。

該型發動機早在2012年就首次完成了1000秒連續點火高模試車，值得注意的是該型發動機是一機兩用，嫦娥五號上升器使用的也是同款動力，它將隨後執行月面起飛任務。

動作4：環月飛行。

完成近月制動後嫦娥五號將被月球引力捕獲，從而進入一條高度約200公裡的環月軌道。

緊接著嫦娥五號一分為二，著陸器與支撐艙分離，形成「軌道器、返回器組合體（軌返組合體）」與「著陸器、上升器組合體（著上組合體）」。

軌返組合體與著上組合體分離

軌返組合體將繼續留在200公裡環月軌道運行，著上組合體將進入近月點15公裡遠月點200公裡的著陸準備軌道進行為期三天左右的環月飛行。

期間如果有需求，還可以使用著上組合體搭載的光學相機對著陸區進行高清成像，微波高度計、雷射高度計等載荷也可開機獲取著陸區更為詳細的地貌信息，爾後擇機實施著陸任務。

著陸器與上升器組合體

動作5：月面下降，目標月球正面呂姆克山脈附近。

著上組合體登月

執行登月任務的嫦娥五號著上組合體充分繼承嫦娥三號、四號著陸平臺技術，著陸器配置有久經戰陣的7500N變推力發動機，該型號發動機具備1500N至7500N推力區間的深度調節能力，不僅能有效解決著陸減速難題，同時還具備高比衝、高精度、高可靠優勢。

嫦娥三號著陸器7500N變推力發動機

整個登月過程分為著陸準備段、主減速段、接近段、懸停避障段、緩速下降段總計5個階段，進入接近段後，著陸平臺將啟用我國首創的基於機器視覺全自主避障系統，該系統由慣性測量單元、雷射測距敏感器、微波測距敏感器、光學成像敏感器、雷射三維成像敏感器、圖像數據處理計算機等態勢感知設備組成。

在機器視覺全自主避障系統、7500N變推力發動機與水平機動推力器綜合作用下嫦娥五號可實現優於0.7km的月面著陸精度，該精度居於世界領先水平。

嫦娥四號著陸相機拍攝登月畫面

在距離月面兩米高度時7500N變推力發動機關機，著上組合體開始緩衝著陸，目的是減輕發動機尾流揚起的月塵。

最後的著陸能量由四條著陸支撐腿吸收，該部件採用高效吸能合金製造，它能夠確保著陸器在設定夾角內不傾覆。

高效吸能合金打造的著陸支撐腿

著陸支撐機構曾在月背登陸任務中立下大功，通過回傳圖像確認嫦娥四號降落在一塊帶有傾斜角度的坡面上，周圍數米距離內就有多個月球坑。如果不是機器視覺系統加上著陸支撐機構的雙重加持，想要完成複雜月面著陸行動是無法想像的。

嫦娥四號著陸傾斜坡面

為了攻克地外天體著陸難題，我國早在十年前就興建了一座高110米的多維隨動塔架試驗設施，可以模擬月球引力條件下淨高70米下降著陸過程。

多維隨動塔架

兩年多前位於河北省境內的地外天體綜合試驗場也拔地而起，其試驗能力進一步提升，可以模擬月球、火星等天體超過100米高度的下降著陸過程，完備的地面試驗設施是嫦娥三號、四號得以完美落月的強大保障。

地外天體綜合試驗場

動作6：月面工作。

著上組合體此前之所以要在著陸準備軌道繞月飛行3天的一個重要原因是為了等待著陸區月午時刻的到來，因為著上組合體獲取月壤樣本需要充沛電能，而只有月午才能使太陽翼發電能力最大化。

基於月午工作條件著上組合體月面工作時間設定為48小時，嫦娥五號任務目標是抓取2公斤以上月壤，而探測器設定的月壤抓取上限是4公斤。

著上組合體月午工作48小時

為此嫦娥五號著上組合體配備了人類迄今為止最為全面的地外天體樣本抓取機構，鑽取採樣系統由「巖心鑽探機」和「機械取樣器」組成。

巖心鑽探機可以鑽取月面下2米深度的月巖樣本，機械取樣器則由四自由度機械臂與末端採樣器組成，基於機械臂功能可以實現大範圍多樣化採樣。

巖心鑽探機

末端採樣器兩端分別是鏟挖式採樣器與淺鑽式採樣器，能執行鏟、挖、淺鑽、拾取等多種形式的樣本採集。

機械臂末端採樣器

配合末端採樣器工作的還有一部依附於機械臂末端位置安裝的近距攝像頭，稍遠處還有一部遠距廣角攝像頭。

嫦娥五號4公斤月壤抓取上限是什麼水平？同樣是月球無人採樣領域裡的世界第一。

月球-16無人月球採樣飛船縮比模型

此前人類曾發射三艘無人月球採樣飛船，獲取的月壤總量也僅有326克，而嫦娥五號設計採樣量是其總量的12倍有餘，任務目標採樣量是其總量的6倍有餘。

為什麼嫦娥五號有如此出色的採樣能力？除了完備的鑽取採樣系統，動作7更是關鍵所在。

動作7：月面上升。

前文提到嫦娥五號著上組合體充分繼承了嫦娥三/四號平臺，這意味著登陸月球的重量將與後者大體持平，而攜帶月壤樣本用於月面起飛的上升器重量仍然高達509公斤，這一重量遠遠超過了玉兔號月球車的140公斤。

嫦娥五號著陸器

由於嫦娥五號是短周期任務，無需攜帶多餘的探測載荷，維持月夜工作的核熱源也可省去，加上近月制動由軌道器負責，著陸器又可省去一部分燃料重量，因此嫦娥五號著陸器才可以攜超過半噸重量的上升器實現登月任務。

嫦娥五號上升器

人類此前三次無人月球採樣任務由於無法掌握月球軌道無人交會對接技術，採用的都是月面起飛直接返回地球方案，上升器需要克服返回艙與大量燃料死重，因此極大壓縮了樣本重量。

嫦娥五號則是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，因此取樣重量才能呈幾何級提高。

勝利的旗幟

根據官方宣傳視頻披露完成月壤採集任務後，著陸器平臺將升起一面五星紅旗，然後使用著陸器監視相機來一個自拍。

緊接著完成月壤樣本初級封裝工作的上升器就要準備月面點火起飛了，這又是一個高難度科目。

火箭在地球起飛有完備的發射塔架系統，點火起飛位置精確測算，飛行軌道也是算了又算，月面起飛就完全不同，著陸器就是上升器的發射塔架，而著陸器是不可能四平八穩的，比如嫦娥四號著陸器就落在了斜坡上，同時著陸器也不可能像地球發射塔架那樣配置火箭導流槽。

上升器月面起飛

月面起飛軌道設計、月面起飛測控、發動機羽流導流都是月面起飛的核心難題，早在2015年6月航天科技集團六院101所軌姿控發動機試驗區就進行了嫦娥五號全尺寸羽流導流綜合驗證試驗，第一階段試驗即取得四戰四捷成績，充分驗證了設計的可靠性與正確性。

嫦娥五號T1探測器曾模擬上升器運動軌跡

2014年發射的嫦娥五號T1試驗器服務艙也曾在第三階段拓展任務中驗證了嫦娥五號上升器的運動過程。

為了確保上升器能夠飛起來我們綜合空間任務與地面試驗進行了大量的任務驗證，並且建立了一整套系統保證任務，各保證任務之間環環相扣。比如，著陸系統保證著陸在相對平坦的月面，上升系統保證即便著陸在傾斜坡面也能安全起飛等等，都是著眼最複雜的險局危局進行任務設計。

動作8：月球軌道交會對接

單單依靠上升器是無法把月壤樣本送回地球的，它需要與軌返組合體對接進行樣品轉移，並由返回器送返地球。

嫦娥五號返回器

我國通過載人航天工程已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術，然而嫦娥五號要突破的是38萬公裡以遠的月球軌道無人交會對接，這在人類航天史上又是一個「第一次」。

月球軌道無人交會對接需要測控網攻克深空軌道多目標高精度測定軌技術，同時還需要針對嫦娥五號任務的特殊要求研製全新的輕量化對接系統。

月球軌道交會對接

神舟飛船與天宮實驗室交會對接是體量相當的空間目標撞擊，而嫦娥五號軌返組合體此時超過2噸的體格，與數百公斤的上升器明顯不對稱，任務要求由軌返組合體主動對接上升器，是大追小的複雜受力條件。

抱爪式對接機構

為了解決這一難題航天科技八院研製了一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機構，它採用捕獲、校正、鎖緊、自動轉移功能一體化設計，在無人交會對接的同時實現樣品容器自動轉移，這一技術可以當之無愧地稱為世界首創，是嫦娥五號具有世界領先水平的重要元素之一。

月壤樣本自動轉移至返回器

實施對接任務前軌返組合體首先要分離返回器支撐艙，從月面起飛的上升器將進入近月點15公裡、遠月點180公裡的目標軌道，隨後經過兩天的環月飛行完成上升器與軌返組合體之間的遠程導引，進入自主近程交會段後在微波雷達導引下於3.5小時內實現兩器對接。

交會對接前軌返組合體拋掉支撐艙

動作9：環月等待

完成對接與樣品轉移後上升器將被拋離，緊接著軌返組合體將進入為期6天的環月等待飛行，目的是進入能量最優月地轉移軌道。

動作10：月地轉移

軌返組合體月地轉移飛行

當112小時月地轉移能量最優軌道窗口到來時，軌道器3000N發動機點火切入返回軌道，當軌返組合體距離地球約5000公裡時，軌道器協助返回器建立再入返回姿態，隨後軌返分離，返回器飛向地球進入再入返回航路。

嫦娥五號T1試驗器軌返分離

動作11：近第二宇宙速度再入大氣層

以往神舟飛船再入大氣層的初始速度是7.6公裡/秒，所承受的再入大氣燒蝕溫度在2000攝氏度左右，而嫦娥五號返回器則將以11公裡/秒的近第二宇宙速度再入大氣層，與大氣摩擦的燒蝕溫度將高達2760攝氏度。

再入燒蝕

為了抵禦高溫燒蝕嫦娥五號返回器在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環、側壁迎風面、側壁背風面、側壁艙蓋與邊緣防熱環、穩定翼七大部位分別應用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。

艙體承受高溫燒蝕的同時還面臨氣動減速難題，因為接下來還要打開減速傘實現軟著陸地球，速度太快對減速傘的壓力更大。

高速半彈道跳躍式返回軌道

為此我們創新出了高速半彈道跳躍式返回軌道，就像打水漂一樣，返回器第一次再入大氣後在距離地面接近60公裡時利用大底前端形成的弓形激波再度反彈回太空，爾後再二次再入大氣層，此時返回器再入速度將與神舟飛船返回艙一樣，這樣做的目的主要是為了減速。

返回器在距離地面接近1萬米高度時引導傘與主減速傘相繼拉出，最終它將著陸於內蒙古預定著陸場。

月地軌道返回地球的嫦娥5T1返回器

從長徵五號點火起飛到著陸連續11個高難度科目總算是預演完畢，有些人不禁發問，為了拿到月壤樣本嫦娥五號真的有必要如此「大費周章」嗎？

早在嫦娥五號任務公開伊始也曾有直接從月面起飛返回的採樣方案，這種簡化方案只是走前人的老路，對登月工程技術的帶動價值有限。

嫦娥五號早期月面直接起飛返回方案

我們要的顯然不僅僅是兩公斤月壤樣本，首先通過嫦娥五號任務我國將擁有包括但不限於地外星球複雜樣本取樣、無人飛船地外星球起飛、地外星球深空軌道無人交會對接、樣本封存轉移等一系列世界領先技術，是我國引領人類月球開發的裡程碑事件。

嫦娥五號將為探月三期工程畫上圓滿句號，但它卻是開啟載人登月工程的金鑰匙，其核心使命不是為了那兩公斤月壤，而是驗證一系列登月返回的核心技術。以嫦娥五號為基礎擴容，增設生命保障設備，同時提升工程可靠性，這就是一艘21世紀的載人登月飛船。

嫦娥五號著上組合體

嫦娥探月工程自啟動伊始就對一系列核心技術展開正面攻堅，不論是嫦娥三號的機器視覺著陸系統，亦或者嫦娥四號代表人類首登月背，以及嫦娥五號的集群式突破，全都仰賴科研戰線完全自主的原始創新，因此掌握了能夠在世界上領跑月球探測的技術資本。

如果說20年前我們談載人登月，那只能算是暢想，而現如今則早已是夢想照進現實。早在去年年初探月工程總師吳偉仁就明確表示，未來十年左右，月球南極將出現中國主導、多國參與的月球科研站，月球上將留下中國人的足跡，我國將邁入世界航天強國前列。

新一代載人飛船試驗船返回艙

尤其是今年長徵五號B遙一火箭首飛任務中搭載升空的新一代載人飛船試驗船，第一次發射就瞄準七千多公裡的深空，這一高度甚至超越了嫦娥五號軌返組合體的分離點，官方也毫不掩飾地承認它就是要驗證第二宇宙速度的再入熱流燒蝕。

新一代載人飛船試驗船的發射是21世紀第一款服務載人登月用途包括返回艙與服務艙在內的完整構型飛船首飛任務，同時期大洋彼岸的獵戶座飛船此前僅進行過返回艙測試，時至今日也沒能實現完整版構型飛船首飛，要知道後者啟動研製時間已經超過10年，而我們僅用了3年多時間就實現了進度反超。

服務載人登月任務的新一代載人飛船

配合新飛船執行載人登月任務的921新一代重型載人火箭日前又再度現身航天大會，這是一款CBC構型重型火箭，在採用成熟動力技術、火箭箭體基礎上，還將應用多發並聯、共底燃料貯箱等一系列創新技術，綜合技術指標將達到國際一流水準，其奔月軌道運力可達25噸，屆時依託新一代載人重型火箭我們將採用兩發火箭月球軌道集合方案實施載人登月任務。

用於載人登月的新一代載人火箭

目前配型921新一代載人重型火箭的YF-100K泵後擺液氧煤油發動機已經進行多次長程熱試車、共底燃料貯箱試製成功，由後過渡段、發動機安裝梁、發動機小機架組合的七機並聯、高效推力傳遞箭體結構也已經試製成功。

航天科技五院官方CG

獨步全球的嫦娥五號+新一代載人飛船+921新一代載人重型火箭=？這又是一個不言自明的問題。