嫦娥五号，欢迎回家

本刊综合

2020年12月17日1时59分，经过长达23天的探月之旅，嫦娥五号返回器携带月球样品顺利“回家”，在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。嫦娥飞天，举世瞩目。嫦娥五号以完美的表现惊艳全球，在中国探索太空的历史上留下了一串闪光的足迹。

随着嫦娥五号探测器发射升空，往返距离近80万公里的嫦娥五号月球探测任务正式开启。

2020年12月17日晚8时，一辆军绿色卡车缓缓驶入中国空间技术研究院，16发礼炮依次响起，等候已久的人群发出阵阵欢呼和掌声。卡车上载着的是嫦娥五号返回器，而作为嫦娥五号探测器的抓总研制单位，中国空间技术研究院正是她“诞生”的地方。

带着月球“土特产”，远游的“孩子”回了家。嫦娥五号任务是我国探月工程的第6次任务，也是中国迄今为止复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程。其带着“土特产”回家标志着我国已具备地月往返的能力，探月工程“绕、落、回”三步走规划完美收官。

嫦娥五号探测器什么样

嫦娥五号探测器的成功发射，使人们的目光又一次聚焦嫦娥家族：与嫦娥家族中前几位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”有什么不同，她在大家族中又扮演着什么角色，发挥着什么作用？

“首先是‘外貌即外观造型不同。”据中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器副总设计师阮剑华介绍，与嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号相比，嫦娥五号探测器的技术跨度大，结构也更为复杂，它是由轨道器、着陆器、上升器、返回器等四器组成。

这四器就像“糖葫芦”一样，每一个都是单独的个体，放在一起还能组合，比如着陆器和上升器“抱”在一起，就组合成了“着上组合体”，轨道器和返回器组合，就成了“轨返组合体”。四器“串”在一起，则构成了一个完整的探测器。

相应地，嫦娥“大姐”和“二姐”分别是单独的卫星，“三姐”和“四姐”则是由着陆器和月球车“两器”组成。从这个角度来说，嫦娥五号是嫦娥家族里结构最复杂的探测器。

嫦娥五号承担的使命、任务目标也比较特殊。与前几位“姐姐”不一样，“五姑娘”要实现我国首次在地外天体无人采样返回，开展月球样品地面分析研究。

阮剑华介绍，探月工程从立项之初，就设计了“绕”“落”“回”三步走战略，这意味着嫦娥家族众姐妹将拥有不同的命运和归宿——

2007年10月24日，我国成功发射嫦娥一号卫星，2009年3月1日，嫦娥“大姐”按预定计划受控撞月，为探月工程一期——“绕月探测”任务画上了一个圆满的句号。

2010年10月1日，嫦娥二号卫星发射成功，2012年12月13日，嫦娥二号卫星与图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”，首次实现我国对小行星的飞跃探测。嫦娥“二姐”也因此成了我国第一个行星际探测器。

2013年12月14日，嫦娥三号探测器着陆月面，次日，着陆器和巡视器互拍成像，嫦娥三号任务圆满成功，实现了我国首次地外天体软着陆和巡视探测。

从此，嫦娥“三姐”永久留在了月面，常驻“广寒宫”，和玉兔号月球车一起，遥望地球家园。

2019年1月3日，嫦娥四号探测器成功登陆月球背面，成为人类历史上首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，至今状态良好。未来，嫦娥“四姐”还将和玉兔二号月球车一起，继续月球背面的探索之旅。

嫦娥家族此前的几位“姐姐”还有一个共同点，就是谁也不能再次回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更远的深空。相比之下，嫦娥“五姑娘”就幸福多了：她从“月宫”潇洒走一回后，还能捎点“特产”——月壤，再次回到地球母亲的怀抱。

创造5个“中国首次”

国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华介绍，嫦娥五号任务创造了5项“中国首次”：一是在地外天体的采样与封装，二是地外天体上的点火起飞、精准入轨，三是月球軌道无人交会对接和样品转移，四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。

嫦娥探月的背后，是一项项技术难点的集智突破、一项项创新成果的破壳而生。这些科技成果架起了通往月球的天梯，让中国人走出了一条属于自己的探月之路。

2020年12月2日22时，经过约19小时的月面工作，嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

嫦娥五号探测器成功着陆月面后，开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作，之后就进入了“挖土”的工作模式。国家航天局探月与航天工程中心副主任、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍，此次嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合、多点采样的方式，设计了钻具钻取和机械臂表取两种模式。

据介绍，钻具钻取主要获得月面以下的样品，而机械臂表取则主要获得月球表面样品，两种模式互为备份。

这两种模式并不是同时进行。首先开启的是钻取模式，截至2020年12月2日4时53分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。接着，机械臂表取装置开始在月面自动采样并封装，截至当日22时，嫦娥五号顺利完成月球表面自动采样，并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。专家介绍，为确保月球样品在返回地球过程中保持真空密闭以及不受外界环境影响，探测器在月面对样品进行了密封封装。

为了顺利完成采样任务，着陆器随身携带了钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”。中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍，机械臂表取可以想象成类似人手的装置，在腕关节设有两个采样装置，很像挖土的铲子;钻具钻取则可以钻入月球内部，钻取月壤岩芯。它们科学分工，精密配合，采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等各种方式，采集月壤样品并进行密封封装。

据中国航天科技集团五院专家介绍，嫦娥五号任务采样装置为全新研制，技术新、难度大，需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等条件约束;采样期间面临月面高温的工作环境;采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。因而采样封装是此次任务的核心环节之一。

完成月面工作后，嫦娥五号就踏上了归途。从月球回家可不容易，第一步能否迈好至关重要，这要突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。

嫦娥五号上升器在月面点火起飞是一个高难度动作，这是嫦娥五号的亮点，也是任务的难点。

若飞行器在地球上发射，有专门的发射塔架，点火起飞位置经过精确测算，飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了——没有成熟完备的发射塔架，上升器只能站在着陆器身上发射。

嫦娥五号上升器从月面起飞，不确定性非常大，可视为一次从月球发射航天器的无人试验。能否成功起飞关系到后面交会对接能否顺利实现，这一环节是交会对接的起点，需要上升器精确瞄准交会对接的轨道器和返回器组合体。

正如彭兢所言：“这个位置可能会存在一定的偏差，不像在地球表面上一样可以精确到米，在月球上现在的指标可能就是百米量级，这些误差都会影响入轨的精度。”

中国航天科技集团五院专家介绍，面对倾斜发射的技术难题，需要明确起飞稳定性的各项因素及其耦合的影响，依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨，必须通过大量地面仿真和试验对起飞上升发动机开展验证。但月面环境的特殊性，低重力、高真空等环境模拟使得地面验证较为困难。

经过一系列技术攻关，嫦娥五号科研团队开展了一系列试验验证，建立了一整套环环相扣的系统，实现了嫦娥五号上升器起飞时自主定位、定姿，护送上升器离开月球。

嫦娥五号上升器从月面起飞后，将飞到月球轨道上。但要它凭借一己之力将月球样品送回地球，却非易事。它需要在月球轨道上与轨道器、返回器组合体交会对接，把样品交给返回器，让其完成接下来的旅程。

20世纪70年代，苏联成功实施了3次无人月球采样任务，先后利用月球16号、20号、24号探测器，一共从月球取回300多克样品。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍，苏联采用探测器从月面起飞直接返回地球的方案，探测器需要携带大量燃料，而携带样品的能力极为有限。

经过几十年的实践探索，我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，但是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接，不仅在我国尚属首次，而且也是人类航天史上的第一次，这给中国航天科技集团五院科研团队带来了极大挑战。

据了解，嫦娥五号月球轨道交会对接采用停靠抓捕式交会对接方式，且无卫星导航信号支持，对接和样品转移过程自主性要求很高。这需要在考虑探测器的测控、光照条件、姿轨控、电源、热控等各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计。

同时，月球轨道交会对接过程中，地面测控支持能力受到对接机构大小的限制，对接精度的要求较高。此外，嫦娥五号对接机构中必须考虑样品转移装置的設计，保证对接精度满足样品转移相关要求。对接机构与样品转移机构一体化设计也是难点。

从上升器进入环月飞行轨道开始，一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止，设计师为嫦娥五号精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作，力助嫦娥五号精准完成样品接力。

近地轨道航天器再入返回大气层时，速度通常为约7.9公里/秒的第一宇宙速度。而嫦娥五号从月球风驰电掣般向地球飞来，速度接近11.2公里/秒的第二宇宙速度。以这样的速度返回地球，如果不能“踩上一脚急刹车”，返回器会在大气层中烧蚀殆尽。

然而，返回器减速可不像开车踩刹车那么简单。嫦娥五号返回器采用了半弹道跳跃方式，就像在大气层表面“打水漂”——让返回器先高速进入大气层，随后借助大气层提供的升力“跳”起来，再以第一宇宙速度重新进入大气层返回地面。

这是生死一“跳”。如果“跳”成功，返回器速度会降到第一宇宙速度，后面的过程就轻车熟路了。

即使采用半弹道跳跃方式返回，返回器再入大气层仍然会面临热控方面的挑战。返回器再入速度快、时间长，表面温度最高可超过2000摄氏度，如果传导到内部，将对携带的月壤样品产生影响。

为此，中国航天人采取了一系列措施来保证嫦娥五号返回器平安回家——

巧妙设计返回器外形。返回器就像一个窝头，侧面挖一个洞，洞里面就是推力器。在大气层飞行时，返回器不仅会受到阻力，也会产生一定升力。靠着这一点点升力，返回器就能成功实现半弹道跳跃方式返回。

为返回器披上“防热服”。返回器采用蜂窝结构防热层，里面填充了新型耐烧蚀材料。在气动加热导致温度升高时，这种新型材料能让返回器与热流有效隔绝。

自主飞行过“黑障”。返回器两次高速进入大气层都会产生“黑障”现象。高速摩擦会使返回器表面气化，产生等离子鞘套，屏蔽了返回器与地面的联系。虽然“黑障”过程中天地通信中断，但并不意味着返回器会失控，一些重要指令在进入“黑障”前已经写入返回器，返回器可以按照预设内容来执行指令。

回收开伞成功率更高。在距地面10多公里处，返回器需要借助降落伞进行回收着陆。研究人员为它量身打造了轻小型化回收系统，通过优化降落伞的结构设计、采用先进材料和制造技术，实现与伞衣连接的伞绳在承受力度不变的前提下减重20%以上;为确保安全可靠，在弹伞、脱伞等环节上都设计了备用方案，以实现“双保险”。多管齐下，确保第一时间回收返回器。

带着约1731克月球“土特产”，嫦娥五号奔走38万公里后凯旋。这标志着嫦娥五号任务由工程实施阶段正式转入科学研究阶段，我国首次地外天体样品储存、分析和研究拉开序幕。

对探月工程技术人员来说，嫦娥五号回家意味着此次探月工程任务圆满完成，但对地面应用系统的科学家来说，月球样品的科学研究工作才刚刚开始。

中国科学院国家天文台研究员、探月工程三期副总设计师李春来介绍，嫦娥五号的采样点选择了风暴洋东北角的玄武岩区域，这是全新的采样区域，全新的样品研究，对月球表面的风化作用、火山作用和区域地质背景、区域地质演化方面应该能作出很多科研贡献。

“土特产”怎么用？吴艳华介绍，嫦娥五号带回的月球样品包括三类用途：第一类是最主要的，就是进行科学研究;第二类，为了能早一点与公众见面，有一部分样品将入藏国家博物馆，向公众展示，进行科普教育;第三类，依据国际合作的公约和多边双边的合作协议，我国将发布月球样品和数据管理办法，与有关国家科学家共享，也有一部分按照国际惯例，作为国礼相送。

“大部分样品会用于科学研究，科研工作者会在实验室进行长期、系统的月球样品研究工作，包括结构构造、物理特性、化学成分、同位素组成、矿物特点和地质演化等方面。”李春来介绍道。

在中国科学院国家天文台月球与深空探测研究部，我国首个月球样本实验室已“万事俱备”，月球样品的存储、管理和研究工作将在这里进行。

月壤样品呈粉末状，易受到地球物质污染，因此月球样本操作必须极其严谨规范。“一是采用科学的方法，制定科学的规范和方案，保证结果可信;二是利用最精密的仪器进行实验，并且使用最少量的样品展开研究，让样本发挥最大功效。”嫦娥五号任务地面应用系统副总指挥张洪波说。

此外，除了中科院国家天文台作为月壤主要存储地点外，样品还在毛主席的故乡——湖南韶山进行了异地灾备，以告慰毛主席生前“可上九天揽月”的夙愿。

探月工程四期和行星探测工程将接续实施

既是收官之作，又是奠基之作。

以嫦娥五号任务圆满成功為起点，我国探月工程四期和行星探测工程将接续实施。

2021年是“十四五”规划的开局之年，吴艳华表示，在“十四五”乃至今后一个时期，中国航天将实施一系列重大工程任务。

围绕月球探测主题，基本规划确定探月工程四期，总共包括4次任务。第1次任务是嫦娥四号月球背面着陆巡视探测。第2次任务是嫦娥六号将进一步优化论证工程目标和科学目标。规划当中还有嫦娥七号和嫦娥八号任务。吴艳华表示，将以此为契机，与有关国家和国际组织合作，共同论证初步建设月球科研站的基本能力或者验证核心技术。

关于行星探测的规划也基本明晰。首次火星探测任务天问一号于2020年7月23日在文昌成功发射，按照预定计划，今年2月中旬到达火星，开始绕火探测。2021年5月中旬，计划着陆火星巡视探测。此外，还规划了3次行星探测任务，包括一次小行星的探测和取样，一次火星的采样返回以及一次木星系环绕探测和行星穿越探测。

此外，在载人航天领域，吴艳华透露，按照“三步走”的规划，今年、明年计划完成空间站共计11次发射任务。在运载火箭方面，将充分利用长征五号、长征六号、长征七号新一代运载火箭技术，完善无毒无污染新型火箭序列，保证新一代运载火箭能够形成序列化，满足各种轨道、各种重量飞行器的发射任务。同时对于重型运载火箭的研制，科研团队正在进行关键技术攻关和方案的迭代优化论证。

吴艳华表示，“十四五”时期要继续大力发展国家民用空间基础设施，广泛为国民经济各领域提供强大的支撑保障能力。同时，作为国家战略性新兴产业的重要组成部分，国家民用空间基础设施还将为大众生产生活提供更为优质的产品和服务。