解讀 | 嫦娥“五姑娘”首次奔月“挖土”的五大看點：她有可能創造五個首次！

（原標題：解讀 | 嫦娥“五姑娘”首次奔月“挖土”的五大看點：她有可能創造五個首次！）

比科幻大片更燃！多視角看嫦娥五號發射（來源：視頻綜合）

【解讀 | 嫦娥“五姑娘”首次奔月“挖土”的五大看點：她有可能創造五個首次！】2020年11月24凌晨，長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空，在破曉中劃出一道金色弧線，成功將“嫦娥五號”月球探測器送入地月轉移軌道。嫦娥五號任務是我國今年航天發射的重磅任務，更是中國探月工程“繞、落、回”三步走的最後一步, 將實現包括我國首次月球無人採樣返回在內的一系列高難度任務。據介紹，嫦娥五號探測器是迄今爲止我國研製的最爲複雜的航天器系統，由軌道器、返回器、着陸器、上升器4器組成，也是我國目前發射的重量最重的月球探測器。這麼多首次疊加在一起，意味着本次任務難度非常高，可謂“步步驚心”，同時看點也是層出不窮。在嫦娥五號任務發射之前，環球時報-環球網記者走進文昌航天發射場，聽多位航天專家權威解讀嫦娥五姑娘的本次探月之旅。

看點一：長五發嫦五——本年度最有“分量”的發射

據國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關鋒介紹，探月工程三期是我國探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步走戰略的最後一步，將實現月球採樣返回。三期工程規劃實施兩次採樣返回，在嫦娥五號任務之後，後續還有嫦娥六號任務。同時爲了降低飛行任務的風險，已成功進行了一次再入返回試驗。嫦娥五號任務是我國迄今最複雜、難度最大的航天任務之一。

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表示，嫦娥五號任務有望創造5個“中國首次”：一是地外天體的採樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲、分析和研究，這在我國都是首次。

除了意義重大，這次任務運載火箭和搭載的乘客也是“分量”十足。據專家介紹，嫦娥五號月球探測器重達8.2噸，是我國目前發射的重量最重的月球探測器。作爲我國探月三期工程採樣返回任務的核心，由中國航天科技集團研製的嫦娥五號探測器是迄今爲止我國研製的最爲複雜的航天器系統，由軌道器、返回器、着陸器、上升器4器共包含15個分系統組成。而嫦娥五號探測器需要直接被送入近地點200公里、遠地點41萬公里的地月轉移軌道，“在長征火箭家族中，只有長征五號運載火箭可以將這麼重的載荷直接送入地月轉移軌道，這是對運載火箭能力的集中檢驗，也是對中國航天能力的最佳註解。”長征五號火箭第一總指揮、航天科技集團一院黨委書記李明華介紹稱。

據統計，這是長征五號系列運載火箭第六次發射，也是2020年第三次執行發射任務。2020年5月5日，長征五號B遙一火箭成功首飛；7月23日，長征五號遙四運載火箭成功發射 “天問一號”火星探測器。

此前美蘇也曾進行過月球採樣返回，本次任務有什麼異同呢？航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹，人類過去的採樣返回任務要麼是載人登月，通過宇航員攜帶不同的工具去採樣，然後將樣品帶回來。或者像蘇聯用一個單一的採樣裝置去採樣，每次採樣量大概一兩百克。中國這次瞄準的是採到公斤級樣品。

看點二：嫦娥五號的“四大護法”長什麼樣

航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹，嫦娥五號探測器總共有四部分組成，總重量8200公斤，四器形式上有點像穿糖葫蘆，從上到下依次是上升器，着陸器、返回器和軌道器，這四部分在發射時組成一個探測器整體，高度大約7 .2米左右。在飛行過程中，根據不同的任務階段會組合成不同的形式。從名字上大概也能看出來四器分別的用途。上升器主要功能是攜帶在月面收集到的樣品從月球表面起飛，起飛以後進入環繞月球軌道後，它會作爲目標飛行器，由軌返組合體和它進行交會對接，完成之後再把樣品轉移到返回器裡面。着陸器顧名思義就是要在月球表面着陸，它的主要功能包括攜帶上升器以着陸上升組合體的形式落在月面。着陸後，它最重要的工作就是分別由鑽取和表取方式完成月球表面的採樣並完成封裝。返回器的功能就是當完成交會對接、樣品轉移到返回器之後，由它攜帶樣品返回地球。

在談到軌道器的功能時，彭兢說，它主要是承擔在不同軌道上飛行的任務，比如在發射時，它會攜帶其他三器，完成地球到月球的飛行，也就是地月轉移。到了月球之後，軌道器要剎車，通過減速制動，使得四個部分組成的探測器整體進入環繞月球軌道，並且在軌道上軌道器要和返回器構成一個組合體和着陸上升器分開，着陸上升器去着陸，而軌道器返回器要留在軌道上，等待上升器攜帶樣從月面起飛進入月球軌道，然後在月球軌道的飛行過程中，它要進行交互對接的準備工作。完成交會對接和樣品轉移之後，它將在環月軌道上攜帶返回器飛行一段時間。等待合適時機，軌道器會攜帶返回器，加速完成從月球飛向地球的過程，也就是月地轉移。回到地球附近之後，軌道器會釋放返回器，返回器攜帶樣品回到地球。軌道器會在地面控制下完成規避機動，確保返回器能夠安全着陸，然後它會進入一個環繞地球的大橢圓軌道，等待後續處置。

看點三：採樣區域選擇大有講究

據國家航天局介紹，嫦娥五號任務的採樣區域是在月球正面風暴洋西北部，採樣方式是機械臂表取和鑽地鑽取的方式，採樣量約兩公斤，月面工作時間約兩天。

那去月球表面採樣有哪些重要意義呢？中國地質大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍對媒體介紹，月壤是研究月球的樣本，由月球岩石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用後形成，其中有大量的月球岩石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質，既可以瞭解月球的地質演化歷史，也可以爲了解太陽活動等提供必要的信息。

全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩告訴《環球時報》記者，探測月球有3種常用方法：一是環繞探測，二是着陸和巡視探測，三是採樣返回探測。從技術層面看，3種空間探測方式每一步都是對前一步的深化，並同時爲下一步奠定基礎。完成月球採樣返回任務，需要經歷一個全面、精細、深入的科學探測過程，可以突破一系列關鍵技術，併爲今後載人登月和月球科研站選址等提供有關數據、奠定技術基礎。

本次任務的採樣地點選擇在風暴洋西北部有哪些考量呢？航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹稱，嫦娥五號任務的着陸地點就在月球正面風暴洋西北部，這個位置過去還沒有人類探測器，無論着陸還是載人的，還是返回的，都沒有去過。科學家根據目前的研究成果，認爲這塊區域形成的地質年代比較年輕。相比過去已經帶回到地球的樣品和從地面開展的研究來講，如果能夠將這塊區域的樣品帶回實驗室進行分析，能夠幫助人類更好地認識月球形成過程。同時，選擇在暴風洋西北部採樣也有從工程實現角度來考慮的因素。

爲什麼要採用兩種採樣方式呢？彭兢表示，從完成任務本身來講，過去人類歷史上無人月球採樣，只有蘇聯用鑽取方式，他們的鑽頭中間是一箇中空結構，通過把鑽頭深入到月球表面以下，然後中空的管子裡邊能夠取樣。那麼我們過了幾十年再採樣的話，當然也可以在蘇聯已經使用的這種鑽取採樣的基礎上，提高技術水平，比如說採更多的樣，還有另外一種方式就是換一種採樣方式，然後獲得不同的樣品。所以從這個角度考慮，我們認爲單一的採樣方式獲取的樣品形式種類和總量等方面受限制比較多，用兩種方式能夠獲得更多種類、更多數量的樣品。另外我們從工程本身來講，設計鑽取和表取這兩種方式，可以互爲備份。

看點四： “五姑娘”採樣返回要過N道關

嫦娥五號被“胖五”成功送入地月轉移軌道，這是本次任務系列步驟中的第一步，後續它還將在20多天中突破層層技術難關並最終完成採樣返回。這一點從嫦娥五號任務的衆多關鍵節點就可見一斑。據國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關鋒介紹，嫦娥五號任務在文昌航天發射場用長征五號運載火箭直接將探測器送入地月轉移軌道，探測器與火箭分離之後，將完成地月轉移、近月制動進入環月軌道，在環月軌道上四器要進行第一次分離，着陸器上升器組合體（“着上組合體”）與軌道器返回器組合體（“軌返組合體”）進行分離，着上組合體將降落在月球正面風暴洋西北部區域，之後在48小時之內通過機械臂表取與鑽地鑽取兩種方式共採集月面的土壤和岩石樣品約兩公斤，同時進行科學探測。完成採樣和封裝後，上升器在月面起飛，與位於月球軌道上的軌返組合體進行交會對接，並將樣品容器轉移到返回器內，隨後軌返組合體與上升器分離，在預定時機加速進入月地轉移軌道，飛行至地球約5000公里高度時，軌道器和返回器再次進行分離，返回器以半彈道、跳躍式返回地球，距離地面10公里高度時，返回器開傘着陸於內蒙古四子王旗預定着陸區域。地面搜索回收力量在兩天內完成地面回收。整個過程歷時23天左右。

《環球時報》從航天科技集團五院瞭解到，發射成功後，嫦娥五號將經過11個階段，20余天的在軌飛行過程，飛行程序非常複雜，技術性能要求嚴格。據專家介紹，嫦娥五號探測器任務技術難點主要表現在多個關鍵環節。關鍵一：軌道設計複雜。嫦娥五號探測器飛行階段多，各階段軌道方案耦合緊密，軌道設計受到測控、運載和着陸場的限制，約束條件多，各飛行階段軌道在控制和測定軌精度能力有限的情況下，匹配精度要求高；飛行過程還涉及月球軌道交會對接、月地轉移等新的飛行階段，飛行過程複雜，軌道設計難度大。關鍵二：月面採樣封裝技術新。採樣封裝是嫦娥五號月球無人採樣返回任務的核心環節之一。月面採樣封裝任務採用表鑽結合，多點採樣的方式，採樣裝置爲全新研製，技術新、難度大。關鍵三：月面起飛上升驗證難。上升器基於着陸平臺的月面起飛需解決月面起飛初始基準與起飛平臺姿態不確定、發動機羽流導流空間受限、地月環境差異帶來的驗證技術難度大等問題。關鍵四：月球軌道交會對接與樣品轉移自主性要求高。與近地軌道交會對接不同，嫦娥五號月球軌道交會對接任務，對對接和樣品轉移過程自主性要求高。需要在考慮各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計；同時，月球交會對接過程中，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。

看點五：回家之路仍有挑戰

根據國家航天局的介紹，本次任務採用半彈道、跳躍式返回，着陸區域爲內蒙古四子王旗相關區域，2014年10月曾成功試驗了飛行器以第二宇宙速度再入返回，驗證了氣動力、氣動熱防護、制導導航與控制等多項關鍵技術，爲嫦娥五號任務奠定了堅實的基礎。

據彭兢介紹，從宏觀上講，嫦娥五號任務的返回器跟2014年驗證試驗時返回器狀態是一致的。因爲那次飛行試驗的目的就是爲了驗證返回器能夠以第二宇宙速度，也就是11公里每秒這個量級的速度，返回地球大氣這樣一個過程，這裡邊涉及到的氣動、防熱、控制等一系列複雜關鍵技術。2014年成功驗證之後，使得我們對完成嫦娥五號任務有了更多信心。前提條件就是能夠充分繼承那此試驗中返回器的狀態，但實際上這兩個返回器還是有一些細微差別的。主要就是因爲這次返回器要接收從月球表面起飛帶上來的月球樣品，所以多了一個返回艙，而且艙是一個機構，這個艙要保證在交互對接的時候打開，能夠確保樣品容器能夠進入到艙裡面，在返回地球過程中還要保證這個艙門可以關上以保護樣品。針對這些差別，研製人員已經做了大量地面試驗。

而其中再入返回只是返回器回地球的最後一步，在此之前還有一個關鍵節點——高精度月地入射。《環球時報》記者從航天科技集團五院瞭解到，月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌返組合體進入月地轉移軌道，由於月地關係的不斷變化，月地入射窗口及入射點位置均受到嚴格約束，爲理論上的零窗口；同時，月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點精度，影響返回器的安全着陸，控制精度要求高。而在完成高精度月地入射之後，飛行器將迎來回家之旅又一個關鍵點——以第二宇宙速度再入返回地球大氣。

據航天專家介紹，“半彈道跳躍式飛行”增加了在大氣層的“一出一入”，可以消耗掉返回器的部分能量，從而減小着陸速度，拉長航程，有利於選擇降落區。