嫦娥五號完成"鑽取"採樣及封裝，正進行"表取"
人民日報客戶端
記者從國家航天局獲悉，北京時間12月2日4時53分，探月工程嫦娥五號着陸器和上升器組合體完成了月球鑽取採樣及封裝。
探測器於12月1日23時許成功着陸月面後，開展了太陽翼展開、機構解鎖等相關準備工作。
目前，着陸器和上升器組合體正按計劃進行表取採樣。嫦娥五號探測器自動採樣任務採用表鑽結合，多點採樣的方式，設計了鑽具鑽取和機械臂表取兩種“挖土”模式。
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“表取”，顧名思義就是從月球表面通過機械臂和機械爪的配合，抓取一部分月壤。而“鑽取”則是要通過特殊的鑽頭，鑽到月表以下兩米左右的位置，把月壤整體取出來。
“這樣能夠更加原汁原味地保留月表以下兩米的月壤構造情況，讓科學家們能夠更加清楚地瞭解到月壤的構造和分佈以及每一層的特徵。”中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器鑽取子系統技術負責人王國欣說。
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出品| 本站新聞
2020年11月24日凌晨4點半，中國在海南文昌航天發射場用長征五號遙五大型運載火箭，成功將重量達8.2噸的嫦娥五號探測器直接送入地月轉移軌道。
根據計劃，嫦娥五號將在月面採樣後，攜帶約2千克月球樣本於升空後23天回到地球，這也標誌着中國的探月工程所規劃的環繞探測、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。
嫦娥五號是中國目前爲止最重的航天探測器，整個嫦娥五號任務也是中國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一，關於嫦娥五號，相信你一定有不少疑問，下面我們逐一爲你解答。
（一）8.2噸，嫦娥五號爲何這麼重？
目前，中國已經發射了6個“嫦娥”系列月球探測器，其中嫦娥五號是最重的，達到8.2噸，這是爲什麼呢？
嫦娥五號要完成的任務是最複雜、技術難度最大的，要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。所以，它不像嫦娥一號、二號由1個空間飛行器組成，也不像嫦娥三號、四號和五號T1由2個空間飛行器組成，而是由上升器、着陸器、軌道器和返回器這4個空間飛行器像“葫蘆娃”一樣“串”在一起。
嫦娥五號月球採樣返回器結構圖
而且，採集量的多少會影響到容器的大小，進而影響到整個探測器的體積、重量，以及推進劑的需求。比如，爲了鑽取0.5公斤的樣品，探測器上的鑽取機構要達到七八十公斤，爲了表取1.5公斤的樣品，表取機構也要幾十公斤，這100多公斤的採樣機構都要由探測器送到月球去，會影響到探測器整體的重量、體積和功耗。
以2公斤的採樣量作爲初始值來設計探測器，嫦娥五號探測器的總重量達到8.2噸，如果增加樣品的量，整個探測器很多指標都會增長，8.2噸很可能不夠，最後會超過火箭的運載能力，目前的設計是平衡後的結果。
經過論證，2公斤的數量不算少，工程上可實現。
機械臂採樣示意圖（來源：裝備科技）
（二）4點30分，爲何選在凌晨發射？
長征五號火箭的這次發射是在11月24日凌晨4:30進行的，這不僅對於所有任務參與人員來說很辛苦，基本上是通宵達旦，就連對於觀看發射的公衆也不輕鬆，半夜就得爬起來。
有些人不禁就問，爲什麼非要在凌晨4點半發射呢？
長征五號遙五火箭凌晨發射嫦娥五號（陳肖 攝）
這是由嫦娥五號月球採樣返回器的發射窗口所決定的。
所謂發射窗口是指比較合適運載火箭發射包括人造地球衛星、載人航天器和空間探測器等航天器的一個時間範圍（即允許運載器發射的時間範圍）。確定發射窗口通常要根據天體運行軌道條件、航天器的軌道和工作條件、地面跟蹤測控通信以及氣象要求等，建立一個數學模型，輸入相關數據，再經過精心計算推導出來，因此比較複雜。
發射窗口寬度有寬有窄，寬的以小時計，甚至以天計算，窄的只有幾十秒鐘，甚至爲幾秒鐘。
長征3號乙火箭發射嫦娥3號落月探測器
由於每個航天器承擔的任務不同，航天器上安裝的儀器、設備使用要求不同，因此它們對發射窗口提出了種種要求和限制條件，而這些要求有時又互相矛盾，所以選擇什麼時間發射就必須考慮各方面的要求，經綜合平衡後選擇一個比較合適的發射窗口。
根據地球和各種地外星球的運行規律，火星探測器每隔26個月有1次發射機會，金星探測器每隔19個月有1次發射機會，水星探測器每隔4個月有1次發射機會……按理說，據地月的運動規律，月球探測器每月都有1～2次的發射機會。
不過，由於地月距離較遠，探測器用於中途修正所需的推進劑有限，而地球和月球的相對位置在不斷髮生變化，還要考慮火箭與探測器分離後的光照因素，所以對軌道設計提出了非常高的要求。
綜合細緻考慮長征五號的運載能力、嫦娥五號的任務要求，太陽、地球和月球不斷變化的相對位置，以及天氣等其他因素，2020年11月24日凌晨4點半是最佳發射時間，可以滿足地月位置關係、火箭自身性能、探測器地月轉移時間和返回器再入航程等各種約束條件，能“走捷徑”，從而大大節省嫦娥五號奔月時用於中途修正所需的推進劑。
在凌晨發射，還能減少來自太陽活動對於嫦娥五號的影響，有利於信號的傳播（因爲夜晚的天空雲層更少）和方便觀測。
地月轉移軌道示意圖（來源：航天八院）
此外，嫦娥五號着陸日選在滿月當天，也就是北京時間11月30日，這正是月球正面一個月晝的開始，也是着陸採樣點日出之際（一個月晝爲期14個地球日），嫦娥五號探測器可以有效利用持續穩定的太陽光照，爲儀器設備供電保溫，同時方便鑽孔探測、採集樣品，以及各種拍照探測等。
確定嫦娥五號着陸日，再倒推4.5天奔月飛行時間以及2.5天環月飛行時間，最終確定了11月24日凌晨這個發射嫦娥五號的發射窗口。
（三）23天時間裡，嫦娥五號要克服哪些困難？
從發射到返回的23天時間裡，嫦娥五號總共要經歷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，其整個飛行過程大致如下：
在具體實施過程中，要克服不少從未遇到過困難。例如：
在月面上採集樣品時，着陸器上的採樣裝置要在月球低重力環境下具備研磨、鑽孔、抓取月壤和輸送月壤、岩石的能力。
儘管地球上的機械手能在模擬月球重力環境的試驗條件下做得很好，但真實的月球重力環境與模擬環境會存在誤差。所以，機械手在地球上做出的精確動作，在月球上能否重複完成是一個較大的挑戰。
另外，採集的樣品封裝到上升器後，上升器要從着陸器上起飛，這將是中國空間飛行器第一次在地外天體起飛，難度很大。
這是因爲，上升器起飛時噴射的火焰會碰到着陸器，從而可能產生干擾上升器的力。另外，月球表面環境複雜，着陸器不一定是四平八穩的狀態，也無法像地球發射塔架那樣配置火箭導流槽，所以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。
嫦娥五號上升器帶着樣品離開着陸器示意圖（來源：神舟傳媒）
還有，攜帶月球樣品的上升器起飛後，要在38萬公里遠的月球軌道與軌返組合體進行無人交會對接，把採集的樣品轉移到返回器中，這在世界上是第一次。
中國在地球軌道上有着比較成熟的航天器交會對接經驗，多次採用“小追大”的模式，即小質量飛船追大質量“天宮”。但在月球軌道上進行交會對接要“大追小”，即有較多燃料的大質量軌返組合體追小質量上升器，而且距離地球幾十萬公里，稍微控制不好就會偏離到太空中，或撞開返回器，因此對交會對接精度要求更高。對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。
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，爲此，中國研製了一種被稱爲抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機構，它具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創。
它與載人航天對接機構不同，從“太空之吻”變成“月軌相擁”。
上升器與軌返組合體在月球軌道交會對接示意圖（來源：航天八院）
（四）11千米/秒，嫦娥五號採樣返回爲何最難？
嫦娥五號的返回器在再入地球大氣層時，與返回式衛星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9千米/秒的第一宇宙速度再入地球大氣層不同，它是以11千米/秒接近第二宇宙速度的速度再入地球大氣層，這就帶來很大的技術挑戰。
再入速度提高一倍，再入熱量將提高8～9倍，返回器很容易被燒燬。所以，返回器以接近第二宇宙速度再入地球大氣層的技術十分複雜，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。
爲了降低工程風險，確保嫦娥五號採樣返回任務的精確完成，中國在2014年10月24日先發射了一個號稱“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。
嫦娥五號T1成功在着陸區預定區域着陸後工作人員對返回器進行現場檢測
嫦娥五號T1升空後先飛抵月球附近，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11千米/秒的速度再入大氣層，在內蒙古預定區域順利着陸。
這是中國航天器第一次在繞月飛行後再入返回地球，使中國成爲繼蘇聯、美國之後，世界第三個成功回收繞月航天器的國家，表明中國已突破和掌握了航天器超高速再入返回的關鍵技術。
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
所謂半彈道跳躍式再入大氣層是指航天器進入大氣層後，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，減小着陸速度。考慮到中國內陸着陸場等各方因素，爲實現長航程、低過載的返回，所以採用這種方式。
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（來源：神舟傳媒）
嫦娥五號T1由服務艙和返回器兩部分組成，返回器具備返回着陸功能，與嫦娥五號任務中的返回器基本一致。
這次，嫦娥五號升空23天后，返回器也將攜帶樣品以11千米/秒的速度再入地球大氣層，這是一次實戰考驗，返回器再入地球大氣層時需要一個安全、穩妥的返回路線，對返回器的氣動外形、防熱材料以及控制都提出了很高的要求。
嫦娥五號軌返組合體飛近地球示意圖（來源：航天八院）
另外，爲了使嫦娥五號返回器返回地球時在中國的可控範圍內，需要控制好軌返組合體的姿態，如果開始的出發點控制得不好，着陸點就可能偏離得過遠進而無法找到。
嫦娥五號的工程目標之一是爲載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎，其採樣返回任務對未來載人登月選址有一定幫助。另外，嫦娥五號採用月球軌道交會對接方案，這也爲中國未來的載人登月奠定了基礎，因爲這種方案也適合載人登月。
最後，祝願嫦娥五號能圓滿完成任務，攜帶月球樣品的返回器凱旋迴家。
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嫦娥五號完成月球鑽取採樣及封裝