深度！一文讀懂嫦娥五號！
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時隔近兩年，中國航天器又重返月球。
2019年1月3日，嫦娥四號完成了人類首次月背登陸，玉兔二號月球車如今仍巡視在月球背面的“永夜之地”，入夜則眠，日出則醒。
這次嫦娥五號的任務(wù)，就是在月球正面未曾探索過的區(qū)域收集塵埃和碎片并將其送回地球，以便于分析月球形成演化歷史。如果一切順利，中國將成為繼美國、蘇聯(lián)之后，第三個成功采集月壤的國家，而距離上一次成功采集月壤，已經(jīng)過去了40多年。
之前，美國“阿波羅計劃”靠人力累計從月球運(yùn)回了380多公斤樣品，蘇聯(lián)依靠無人飛行器分3次共獲得了300余克，嫦娥五號則希望帶回來2公斤月球物質(zhì)。不要小看這個數(shù)字，2公斤的目標(biāo)決定了嫦娥五號的重量，也決定了選擇哪一款火箭將它送往月球。能帶回樣品已是成功。
一
月球之旅充滿了不可預(yù)知的風(fēng)險，既包括地月之間星際旅行所需經(jīng)歷的一切險阻——太陽風(fēng)、高能粒子和太空相對于人類而言的嚴(yán)酷環(huán)境、通信延遲，也包括準(zhǔn)備工作中難以估量的困難。
比如，在發(fā)射這一環(huán)節(jié)，嫦娥五號原計劃在2017年發(fā)射，但因長征五號運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)故障而推遲。長征五號“復(fù)出”后，已經(jīng)過兩次發(fā)射考驗，這次也是審慎而樂觀。
嫦娥五號任務(wù)作為中國探月工程“繞、落、回”三部曲的最終章，它的成功將意味著中國掌握了無人月球探測的最主要基本技術(shù)，尤其是掌握從月球返回地球的技術(shù)能力，這無疑給載人登月直至月球科研站的設(shè)想奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)，意味著中國向航天強(qiáng)國邁出有力的一步。
因為，載人登月乃至載人登火星，所用到的技術(shù)不會超過為“繞、落、回”這三種任務(wù)形式設(shè)計的技術(shù)。借用登月第一人阿姆斯特朗的話，可以說，嫦娥五號的一小步，可能是未來載人登月的重要鋪墊。
而對天文物理學(xué)家和行星科學(xué)的研究者來說，嫦娥五號如果有收獲，將會像科研跋涉中的一汪清泉那么珍貴，因為月球科學(xué)家迫不及待地想研究新樣本，他們可以從中了解到月球的演變。
《自然》雜志提到，嫦娥五號樣本可以填補(bǔ)科學(xué)家對月球火山活動理解上的一個重要空白。這些來自月球的物質(zhì)還可以幫助研究人員更精準(zhǔn)地確定地球、火星和水星等行星表面的年代。根據(jù)計算隕石坑的方法，月球也是為其他行星測年的重要參考。
火箭烈焰（圖源：海南省航空攝影協(xié)會，攝影師：肖海林）
二
與以往探月任務(wù)不同，這次嫦娥五號沒有使用中型火箭長征三號系列，而采用長征五號大火箭發(fā)射，主要原因是嫦娥五號的探測器重達(dá)8200公斤，遠(yuǎn)超之前的嫦娥系列飛行器，只有長征五號才能把它送入太空。
除了重，嫦娥五號還極具復(fù)雜性，堪稱國內(nèi)迄今最復(fù)雜的航天器之一。嫦娥五號探測器由上升器、著陸器、返回器、軌道器4部分組成。在飛行過程中，它們會根據(jù)不同的任務(wù)階段組成不同組合。
從這4個“器”的名字可以看出各自作用——
上升器攜帶樣品從月球表面起飛，進(jìn)入環(huán)月軌道后，會作為目標(biāo)飛行器與軌道器和返回器組合體進(jìn)行對接。著陸器攜帶上升器降落月球表面后，留在月球。上升器與軌道器、返回器組合體對接后，將月球樣品轉(zhuǎn)移到返回器。隨后，上升器再次分離，成為環(huán)月飛行的“衛(wèi)星”。軌道器將會護(hù)送一程，最終，返回器獨(dú)自攜帶樣品返回地球。
在這些環(huán)節(jié)中，有些是采用已有的成熟方案，有些則是新技術(shù)。盡管在近地軌道，飛行器的交會對接已由神舟飛船和天宮飛行器進(jìn)行過多次，但在月球軌道上還是第一次。就最新最關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)而言，月面采樣、月面上升、交會對接、高速再入返回地球都屬于此類。
對嫦娥五號的設(shè)計研制人員來說，嫦娥五號全身都充滿著亮點(diǎn)，但這些亮點(diǎn)在成功之前也都是難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。
就像科學(xué)家評價的，這項任務(wù)在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，很多事情都可能出錯。著陸器可能會墜地或翻倒，途中樣本可能會從存儲器中逃逸，但“我們都希望它能成功。”
嫦娥工程簡介（圖源：人民日報）
三
“著陸點(diǎn)的選擇極為明智。”這是地質(zhì)學(xué)家對嫦娥五號的判斷。
從200公里月球軌道開始，嫦娥五號著陸器和上升器將分離并下降到月球正面風(fēng)暴洋西北部地區(qū)1300米高的火山群。有月球研究學(xué)者形容，從地球上看起來，這里更像是廣闊、黑暗的熔巖平原。
嫦娥五號登陸點(diǎn)即采樣點(diǎn)就在此地。過去，沒有人類或是探測器到訪此處，這里和嫦娥三號的月球虹灣著陸點(diǎn)的緯度基本相當(dāng)。
為何選擇這個地點(diǎn)？科學(xué)方面的考慮是，根據(jù)目前研究成果，這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代較短，約37億年左右，能幫助科學(xué)家對月球形成演化過程有更為整體的了解。
從探月工程實(shí)現(xiàn)角度來看，采樣點(diǎn)的月球緯度高低會影響太陽光照強(qiáng)度、能量保障、溫度，這涉及到探測器的熱控制。此外，上升器上升后要跟軌道器、返回器組合體在月球軌道對接，通過月球著陸區(qū)經(jīng)緯度的選擇，盡量和軌道器所在的太空軌道面一致，有助于減少燃料消耗。
嫦娥五號上升器和著陸器在月面站穩(wěn)后，將同時用兩種方式采樣：機(jī)械臂在月球表面抓取、鉆具鉆取。隨后樣本將被將儲存于上升器，以便升空。
四
一切準(zhǔn)備就緒后，嫦娥五號上升器將從月球起飛。
若在地球上發(fā)射，有專門的發(fā)射塔架，有相隔幾千乃至幾萬公里的陸地測控站，有海上航天測量船和天上的天鏈衛(wèi)星。但在距離地球38萬公里以外的月球，如果著陸地方不夠平坦，不可能像調(diào)整發(fā)射塔架一樣調(diào)整著陸器姿勢。嫦娥五號上升器從月球起飛，可視為一次從月球發(fā)射航天器的無人試驗。
一旦上升器回到月球軌道，樣本需要被轉(zhuǎn)移到返回器上。樣本的順利轉(zhuǎn)移有一個前提：上升器能和軌道器與返回器的組合體精準(zhǔn)對接。
兩個航天器在空間的交會對接，好比浩瀚太空中“穿針引線”。上升器和軌道器、返回器組合體的重量相差較大，如果采取觸碰式對接，一旦控制不好速度和彼此的位置，上升器很可能被“撞飛”。因此兩者的對接采用“摟緊”方式，類似雙臂拉住單杠隨后收緊。這種方式對精度要求極高，達(dá)到厘米級。
解決“精度”難題，靠的是精確無比的導(dǎo)航控制技術(shù)。但距離地球38萬公里之遙的月球上空，沒有GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)這樣的衛(wèi)星導(dǎo)航星座。要精確預(yù)測兩個航天器在月球軌道上飛行的位置和速度，還取決于對月球引力場掌握的程度。在寂靜無聲的月球上空，兩器的精準(zhǔn)對接，將仰仗地球上的深空測控手段和嫦娥五號自己攜帶的敏感器來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在，剩下的挑戰(zhàn)，就是怎樣把月球樣品容器轉(zhuǎn)移到軌道器里的返回器，完成樣品的轉(zhuǎn)移。月球樣品小，但轉(zhuǎn)移通道和進(jìn)入容器也十分狹小。用如此小的動作精確完成轉(zhuǎn)移，這在人類航天歷史上還沒有出現(xiàn)過。
當(dāng)返回器“吞入”樣品、關(guān)上蓋子，軌道器和返回器組合體將與上升器分離，在預(yù)定時機(jī)加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，踏上回家之路。
發(fā)射現(xiàn)場（圖源：新華視點(diǎn)）
五
在中國歷次探月任務(wù)中，有過航天器在月球軌道上長期飛行，或是最后完全脫離月球引力場去更遠(yuǎn)的星際空間，從月球軌道上“逃逸”，安全回到地球，是第一次。因此，精確設(shè)計返回軌道是嫦娥五號返回器順利著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸點(diǎn)的關(guān)鍵保障，但對軌道設(shè)計人員來說，非常困難。
對地面測控與回收系統(tǒng)來說，從地球上看月球東升西落只有十幾個小時。為了始終能夠“看見”航天器和月球，需要建設(shè)更多深空測控站，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)︽隙鹞逄柲?span style="display:none">DoA曹操讀書網(wǎng)
當(dāng)嫦娥五號軌道器攜返回器由月球向地球呼嘯而來，在接近地球大約5000公里高度時將返回器釋放。隨后返回器將獨(dú)自以每秒約11公里的第二宇宙速度返回地球。這是能夠脫離地球引力場束縛的最小速度，也比從近地軌道返回地面的神舟載人飛船返回艙要快得多。
為解決這個難題，科技人員設(shè)計了半彈道跳躍式返回辦法，相當(dāng)于在太空“打水漂”。
返回器進(jìn)入地球大氣層，減速后將再次跳出大氣層并第二次進(jìn)入大氣層。返回器再入地球大氣層的速度將從十幾公里每秒降低到七公里多每秒，以安全落地。
為了化解風(fēng)險、驗證方案，中國2014年將再入返回飛行試驗器即嫦娥五號T1發(fā)射升空，3天后繞月并返回地球。嫦娥五號T1使中國成為第3個能夠成功讓航天器從月球軌道重返地面的國家。
12月中下旬是冬至前后，一旦月球“挖土”使命達(dá)成，嫦娥五號歸來正逢深夜，內(nèi)蒙古四子王旗的著陸點(diǎn)很可能已是白雪皚皚，搜索返回器的任務(wù)將在寒冷的黑夜進(jìn)行，但迎接嫦娥五號歸來的人們，心一定是火熱的。
從人類航天史的角度審視，中國探月工程是人類向外太空探索樂章中的一段節(jié)拍。就像中國探月科學(xué)家所說的，探索月球和地外天體是人類共同的使命，既由人類的探索天性和科技進(jìn)步所驅(qū)動，也同時驅(qū)動著科技發(fā)展，推動著人類為共同的命運(yùn)而不斷飛翔。我們是這一壯美樂章的共同譜寫者。
點(diǎn)火升空（圖源：人民日報）
文/余建斌、馮華
編輯/云歌
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