嫦娥五號將在月球表面采集2千克樣品 在人類航天史上首次進行月球軌道無人交會對接
11月24日，我國在中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙五運載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器。圖為長征五號遙五運載火箭發(fā)射場景。（圖片來源：視覺中國）
月色未盡時，嫦娥再赴廣寒約。
11月24日4時30分，在海南文昌航天發(fā)射場，長征五號遙五運載火箭（以下簡稱長五火箭）點火升空，托舉嫦娥五號探測器至地月轉(zhuǎn)移軌道，開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。
嫦娥五號發(fā)射，是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)。據(jù)中國探月工程副總設計師、航天科技集團科技委副主任于登云介紹，嫦娥五號將實現(xiàn)我國航天史上四個“首次”：首次在月球表面自動采樣，首次從月面起飛，首次實現(xiàn)月球軌道無人交會對接，首次帶月壤高速再入返回地球。
嫦娥五號是迄今為止我國研制的最復雜的航天器系統(tǒng)，四個“首次”背后是空前挑戰(zhàn)
嫦娥五號，是嫦娥探月家族的最新成員。上一次“嫦娥”奔月還是在2018年年末，在飛行約40萬公里后，嫦娥四號探測器成功降落于月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區(qū)，實現(xiàn)了人類探測器首次月球背面軟著陸。
這一回，嫦娥五號任務不同，四個“首次”是其最大亮點。嫦娥五號探測器將重點實現(xiàn)突破一系列關鍵技術、完成首次地外天體自動采樣返回和完善探月工程體系三大工程目標。
目標激動人心，挑戰(zhàn)也更加艱巨。嫦娥一號和嫦娥二號分別是一顆單獨的衛(wèi)星，嫦娥三號和嫦娥四號分別由著陸器和月球車兩器組成，而嫦娥五號由著陸器、上升器、軌道器、返回器4器組成，包含15個分系統(tǒng)，是迄今為止我國研制的最復雜的航天器系統(tǒng)。
結構復雜，是由任務本身的復雜性決定的。據(jù)中國航天科技集團第五研究院（以下簡稱五院）技術專家介紹，嫦娥五號探測器任務技術難點主要表現(xiàn)在軌道設計、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、月地入射、地球大氣高速再入返回等六個關鍵環(huán)節(jié)。
嫦娥五號的4個器并非各自獨立。其中，著陸器和上升器組成“摘月戰(zhàn)隊”，共同開展月面工作。當“摘月戰(zhàn)隊”順利軟著陸在月球表面，嫦娥五號將開始為期2天的月面工作。它將在月球最大的月海風暴洋北緣的呂姆克山附近登陸，鉆取約2米深的月壤巖芯柱，采集約2千克重的月壤樣品。
表鉆結合，多點采樣。五院技術專家們精心設計了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。嫦娥五號隨身攜帶鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等方式采集月壤。
月球引力只有地球的六分之一，在這種環(huán)境下鉆孔、鏟挖、把樣品封裝進上升器，對探測器技術要求極高?！安蓸訒r序緊張，動作多，裝置也是全新研制的，需要考慮探測器的測控、光照條件、月面高溫等約束，不確定因素多。”五院技術專家說。
據(jù)悉，在經(jīng)過發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移等11個階段、約23天的在軌飛行后，嫦娥五號將攜帶約2千克密封封裝的月壤回到地球。
在月球軌道上進行無人交會對接，不僅是我國首次，在人類航天史上也前所未有
完成月壤采樣封裝后，嫦娥五號將踏上回家之路。把月球“特產(chǎn)”帶回地球，這可不是一件簡單的事。
邁好第一步至關重要，這涉及到突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。
這是一個高難度科目。以往都是地面固定發(fā)射，有一套完備的發(fā)射塔架系統(tǒng)，點火起飛位置、飛行軌道都經(jīng)過精確測算。在環(huán)境復雜的月面，以著陸器為平臺發(fā)射上升器，沒有平坦規(guī)整的起飛地，沒有成熟完備的發(fā)射塔架，更沒有地面人員測調(diào)確認，怎么導流、怎么散熱、如何控制，都是新課題。
“著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形上，這給起飛帶來難度。此外，還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動機羽流導流空間受限等難題?！蔽逶杭夹g專家說，航天器必須“自力更生”，研制團隊進行了大量試驗驗證，建立起一套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證任務，實現(xiàn)起飛時自主定位、定姿。
著陸器托舉著上升器完成月面起飛上升，但僅僅依靠上升器是不可能返回地球的。它需要飛到月球軌道上，與軌道器和返回器組成的“返地戰(zhàn)隊”（軌返組合體）交會對接，像傳接力棒一樣，把月壤轉(zhuǎn)移到返回器。
經(jīng)過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會對接技術，但是在月球軌道上進行無人交會對接，不僅是我國首次，在人類航天史上也前所未有。
作為“太空郵差”，嫦娥五號軌道器如何做到“雞蛋殼上掛秤砣”
太空對接差之毫厘、謬以千里。人類此前三次無人月球采樣任務，由于無法掌握月球軌道無人交會對接技術，采用的都是月面起飛直接返回地球的方案；嫦娥五號則采用具有世界先進水平的月球軌道交會對接技術。為此，從上升器進入環(huán)月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉(zhuǎn)移，嫦娥五號研制團隊設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作，助推嫦娥五號實現(xiàn)對接。
軌道器是名副其實的“太空郵差”——它將在相距38萬公里的地球和月球之間，架起一條太空“物流”的特殊通道，既承擔地月往返運輸任務、將“乘客”安全送往目的地，又在太空中完成貨品“接收”“裝箱”，將珍貴的月壤投送回地球。
“軌道器在軌共有5次分離，6種組合體狀態(tài)，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移等關鍵任務，是目前最復雜的空間飛行器之一?！敝袊教炜萍技瘓F第八研究院（以下簡稱八院）嫦娥五號探測器副總設計師查學雷告訴記者，針對飛行狀態(tài)多、器間接口多、工作模式多等特點，研制團隊突破了高可靠連接分離技術等4項關鍵技術。
受探測器整體重量約束，軌道器在具備強大的承載能力的同時，還得“身輕如燕”。據(jù)八院技術專家介紹，軌道器首次創(chuàng)新使用多次分離復雜構型，首次采用大承載復合材料一體成型插層變厚度承力球冠技術等七項創(chuàng)新技術?！皟H46公斤的承力球冠能承載3噸的貯箱，極限承載能力達30噸，做到了‘雞蛋殼上掛秤砣’。”
“零窗口”發(fā)射要求高，長五火箭挑戰(zhàn)高難度動作
護送嫦娥五號，唯有長五火箭堪當此任。
身高約57米，起飛重量約870噸，起飛推力超過1000噸，長五火箭是目前我國運載能力最大的火箭。這次搭載的“乘客”嫦娥五號重達8.2噸，是我國目前發(fā)射的最重探測器。
“在長征火箭家族中，只有長征五號運載火箭可以將這么重的載荷直接送入近地點約200公里、遠地點約41萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道，這是對運載火箭能力的集中檢驗?！敝袊教炜萍技瘓F第一研究院黨委書記、長征五號運載火箭第一總指揮李明華說。
當許多人還在睡夢中時，長五火箭已經(jīng)載著嫦娥五號出發(fā)。這次發(fā)射為何選在凌晨呢？
除了凌晨天氣狀況較穩(wěn)定、減少太陽活動影響、方便觀測等原因外，發(fā)射窗口是決定性因素，即適合火箭發(fā)射的時間范圍。范圍大小也叫做發(fā)射窗口寬度，寬度有寬有窄，寬的以小時甚至以天計算，窄的以分鐘甚至秒計算。
由于地月相對位置以及軌道設計等因素限制，此次發(fā)射是一次接近于“零窗口”的發(fā)射，發(fā)射窗口只有50分鐘；一旦在發(fā)射窗口內(nèi)不能實施發(fā)射，嫦娥五號的奔月計劃就會受影響。
常規(guī)任務中，一枚火箭有一條軌道即可，但嫦娥五號對火箭發(fā)射概率和發(fā)射窗口提出了更多要求。中國航天科技集團第一研究院長征五號火箭總體副主任設計師劉秉說，與近地軌道任務相比，探月任務的軌道設計更加復雜?！坝捎诘卦戮嚯x較遠且相對位置不斷變化，探測器用于中途修正的推進劑有限，還要考慮箭器分離后的光照因素，對軌道設計提出了非常高的要求。”
窗口窄，“爭分奪秒”尤為重要?！盀榱舜_?；鸺郎蕰r發(fā)射，我們采用變射向、變滑行時間的多軌道奔月發(fā)射方案，應用‘窄窗口多軌道’技術，針對50分鐘的發(fā)射窗口分別設計了5條發(fā)射軌道，每條軌道對應10分鐘的發(fā)射窗口?！敝袊教炜萍技瘓F第一研究院長征五號運載火箭總設計師李東說。
長五火箭點火升空后，要飛行一段時間才能到達地月轉(zhuǎn)移軌道。為了把嫦娥五號精準送達目的地，它要在太空完成一個高難度動作——長時間滑行。
滑行，是指火箭主發(fā)動機關機后，火箭靠慣性向前飛行。聽上去毫不費力，但實際上，長時間滑行對火箭來說是不小的考驗。
從長五火箭二級發(fā)動機一次關機到再次點火，中間要間隔最長約935秒。一開一關之間，火箭要完成箭體姿態(tài)調(diào)整、真空狀態(tài)下推進劑沉底等工作，動作非常多?！盎袝r間越長，火箭在空間輻射影響下的環(huán)境變化越復雜，低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷變化?！眲⒈f，從立項之初，研制團隊就將長時間滑行作為關鍵技術加以攻克，并在長五火箭首飛以及后來多次飛行中得到了成功驗證。
采集月壤將助力月球成因和演化歷史等科學研究
如果一切順利，嫦娥五號探測器將在經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行等階段后翩然落月，開展月面工作并帶著月壤重返地球。
50年前，蘇聯(lián)月球16號將101克月壤樣本帶回地球，這是人類歷史上第一個實現(xiàn)月球無人自動取樣并送回地球的探測器。
對于月球，我們在探索什么？又為何充滿期待？
月球是資源富饒的“礦場”。作為世界公認高效、清潔、安全的可控核聚變發(fā)電燃料，氦-3在解決地球能源危機與環(huán)境問題上被寄予厚望。據(jù)中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠估算，全中國只需8噸氦-3，全世界只需100噸氦-3，就可滿足人們一整年的能源需求。不過，氦-3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且易取用的只有500公斤左右；而前期嫦娥工程探明，月壤中的氦-3儲量達上百萬噸。
月球也是人類遨游太空的理想“補給站”。若月球上證實存在足量“水冰”（水或融水在低溫下固結的冰），那意味著火箭燃料準備、氧氣和飲用水制備、建立長期基地等都可能在月球上夢想成真。
以上夢想能不能實現(xiàn)？月球還有哪些奧秘有待發(fā)掘？科學家或許可以從月球樣品中尋找答案。助力深化月球成因和演化歷史等科學研究，也是嫦娥五號去月球“鉆巖挖土”的意義所在。
“月壤是指覆蓋在月球基巖層之上全部風化物質(zhì)，甚至包括或臥、或埋于粉狀風化物中的直徑數(shù)米的巖石。”行星科學專家、中國科學院國家天文臺研究員鄭永春在接受記者采訪時說道，月壤包含大量信息，既是研究月殼巖石圈組成分布特征和地月系演化歷史的絕佳樣本，也為了解太陽活動歷史等提供必要信息。
1978年，時任美國國家安全事務顧問布熱津斯基訪華時，向中國贈送了1克月球巖石標本。這塊黃豆大小的石頭被一分為二，一半送去北京天文館向公眾展出，另一半由時年43歲的歐陽自遠主持展開研究。歐陽自遠回憶，“我們花四個月全面解剖，把它的化學成分、礦物組成、演化歷史等全弄清楚了?！?br />
研究得再透、分析得再好，石頭不是自己的，1克也終究不夠用。什么時候中國也能擁有自己的月巖樣本？
42年如白駒過隙，從首次接觸月巖到自主采集月壤，從1克到2000克，嫦娥五號肩負使命向月行。
“繞、落、回”三步走迎來收官，嫦娥系列還將實施第二次采樣返回
“探、登、駐”“繞、落、回”——這是中國探月工程的關鍵六字。
2004年1月，我國月球探測工程全面啟動，分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地（短期駐扎）”三個階段；而“無人月球探測”又分為“繞、落、回”三步走，即實現(xiàn)環(huán)繞月球探測，實現(xiàn)月面軟著陸和自動巡視勘察，實現(xiàn)無人采樣返回。嫦娥五號發(fā)射，標志中國探月工程“繞、落、回”三步的最后一步即將完成，“探、登、駐”三大步第一階段開始收官。
在嫦娥五號任務中，最終攜帶樣品返回地球事關任務成敗。我國此前尚沒有地球軌道以外的航天器完成過再入大氣層的返回、著陸與回收經(jīng)歷。2014年11月1日，為嫦娥五號探路的再入返回試驗器“嫦娥5T”按既定方案平安著陸，為嫦娥五號再入返回積累了寶貴經(jīng)驗。
探月工程，是我國繼人造地球衛(wèi)星、載人航天飛行取得成功后，航天事業(yè)發(fā)展的又一里程碑。從嫦娥一號拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號首次實現(xiàn)我國對小行星的飛越探測，再到嫦娥三號成功實現(xiàn)落月夢想、嫦娥四號實現(xiàn)人類探測器首次月背軟著陸揭開月球背面神秘面紗……
后續(xù)，中國探索月球的步伐依舊穩(wěn)健：嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號等探測器還將實施第二次采樣返回、月球極區(qū)資源詳查以及一些關鍵技術的月面試驗和技術利用。
十六春秋繞落回，九天攬月夢成真?；鸺痫w后，發(fā)射基地附近的夜空被照亮；附近海灘上，前來觀看的人群舉起相機定格飛天一瞬的壯美，發(fā)出一片贊嘆。
“嫦娥五號是我國無人月球探測的收官之戰(zhàn)，以后，我們還要建月球基地，載人登月也在籌備當中?！睂τ阪隙鹞逄柋荚拢瑲W陽自遠滿懷期待：“我們還要探測太陽系的其他行星，向星辰大海挺進。中國航天前景宏偉，希望一步步完成艱巨的任務?！保ū緢笥浾?柴雅欣）
