11月24日，長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭在晨曦之中轟鳴升空，將嫦娥五號(hào)探測(cè)器送往月球。中國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，正式拉開(kāi)帷幕。

嫦娥五號(hào)探月，既是一場(chǎng)38萬(wàn)公里地月往返的漫長(zhǎng)馬拉松，也是一場(chǎng)從發(fā)射、著陸到采樣、返回的接力賽。作為中國(guó)航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，嫦娥五號(hào)將創(chuàng)造諸多紀(jì)錄，并帶回來(lái)自月球的“紀(jì)念品”——月壤。這對(duì)于中國(guó)開(kāi)啟月球與深空探測(cè)新征程、建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)有著里程碑意義。

最難任務(wù)實(shí)現(xiàn)五個(gè)“首次”

對(duì)于月球，中國(guó)人的矢志探索未曾停歇。從2017年嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)、為月球拍下“全身照”開(kāi)始，中國(guó)已完成5次探月任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了繞月探測(cè)、落月探測(cè)和巡視探測(cè)。

嫦娥五號(hào)的升空，則開(kāi)啟了中國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的沖刺之旅。作為探月工程三期的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號(hào)探測(cè)器將落月“挖土”，帶上月壤樣品返回地球，實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次月球無(wú)人采樣返回任務(wù)。

事實(shí)上，嫦娥五號(hào)的“首次”不只帶回月壤。國(guó)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(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇表示，嫦娥五號(hào)任務(wù)順利完成將有望實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天史上的5個(gè)“首次”：地外天體的采樣與封裝;地外天體的起飛;月球軌道交會(huì)對(duì)接;攜帶樣品高速地球再入;樣品的存儲(chǔ)、分析和研究——這將成為中國(guó)航天技術(shù)的一次重大跨越，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球提供重要支撐。

與此同時(shí)，作為中國(guó)航天史上最復(fù)雜的任務(wù)之一，嫦娥五號(hào)在整個(gè)探月行程中將經(jīng)歷11個(gè)階段、約23天的在軌飛行過(guò)程，采集約2千克月球樣品返回地球。從任務(wù)的操作來(lái)看，一次探月飛行包括兩次發(fā)射(地面發(fā)射與月面發(fā)射)、兩次著陸(月面著陸與地球著陸)、兩次封裝(月面封裝與月軌封裝)、一次交會(huì)對(duì)接(月軌對(duì)接)。

“糖葫蘆”探測(cè)器“組團(tuán)”工作

要實(shí)施如此復(fù)雜的探月任務(wù)，嫦娥五號(hào)具備了一身本領(lǐng)。相較于嫦娥家族的4位“大姐姐”，嫦娥五號(hào)探測(cè)器雖然“年紀(jì)”小，但結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，噸位也是家族第一——探測(cè)器總重量達(dá)8.2噸，高度在7.2米左右，是今年中國(guó)航天發(fā)射的最重探測(cè)器。當(dāng)然，這也對(duì)運(yùn)載火箭提出了很高的要求，顯示出長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭的強(qiáng)大能力。

嫦娥五號(hào)的重量源于4個(gè)主要部件——上升器、著陸器、返回器和軌道器。相較而言，嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)僅有一個(gè)軌道器，而嫦娥三號(hào)與嫦娥四號(hào)則只有著陸器與巡視器(月球車)。

4個(gè)部件的主要任務(wù)各不相同。據(jù)專家介紹，上升器的作用是攜帶采集的樣品，在月球表面起飛上升，將月球“紀(jì)念品”帶回地球。著陸器則具備多重功能：降落時(shí)，攜帶上升器落在月球表面;降落后，通過(guò)鉆取和表取兩種方式，完成月球表面的采樣和封裝;隨后，變身發(fā)射塔架，幫助上升器完成點(diǎn)火起飛。

在抵達(dá)月球和離開(kāi)月球的過(guò)程中，嫦娥五號(hào)要完成地月軌道和月地軌道的轉(zhuǎn)換。軌道器的作用就是承擔(dān)在不同軌道上的飛行任務(wù)——嫦娥五號(hào)抵達(dá)月球后，軌道器要及時(shí)剎車制動(dòng)，幫助探測(cè)器進(jìn)入環(huán)繞月球軌道。此后，軌道器將與返回器一同在軌道上待命。當(dāng)上升器攜帶樣品起飛后，軌道器將幫助返回器完成交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移，隨后在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，“目送”返回器回到地球。

為了完成復(fù)雜的工作，嫦娥五號(hào)四大“神器”將“組團(tuán)”接力作戰(zhàn)。著陸器與上升器組成“著上組合體”，主要承擔(dān)前期的登月采樣任務(wù);軌道器和返回器則組成“軌返組合體”，完成最后一棒的“沖刺”，將珍貴的月壤樣品帶到地球。

“這四器就像‘糖葫蘆’一樣，每一個(gè)都是單獨(dú)的個(gè)體，放在一起還能組合。四器串在一起，則構(gòu)成了一個(gè)完整的探測(cè)器。”航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢說(shuō)。

邊鏟邊鉆“挖土”2千克

月球表面自動(dòng)采樣封裝，是嫦娥五號(hào)探月任務(wù)中最令人關(guān)注的環(huán)節(jié)。這也是人類航天器時(shí)隔44年之后再度飛赴月球取壤。

專家表示，月壤蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，不僅涉及月球本身，還包含太陽(yáng)系空間的物質(zhì)和能量等重要信息。通過(guò)對(duì)月壤的研究，可以提供月球資源開(kāi)發(fā)利用的重要信息，并為未來(lái)月球基地的選址提供科學(xué)依據(jù)。目前，已有不少國(guó)外科學(xué)家和航天機(jī)構(gòu)提出，希望利用中國(guó)獲得的月球樣品開(kāi)展研究。

上世紀(jì)六七十年代，美國(guó)和蘇聯(lián)先后實(shí)現(xiàn)了月球采樣返回。美國(guó)通過(guò)6次登月計(jì)劃，將12名航天員送上月球的同時(shí)，帶回了380多千克的月壤和月巖樣品;蘇聯(lián)則在3次探月過(guò)程中，用無(wú)人采樣的方式采集了300余克樣品。

此次嫦娥五號(hào)設(shè)定了2千克的采集目標(biāo)。裴照宇表示，經(jīng)過(guò)論證，2千克數(shù)量上不算少，工程上可實(shí)現(xiàn)。“但作為對(duì)這次任務(wù)的考核，我們的目標(biāo)是采樣返回。采到樣品返回地球，就是成功。”

據(jù)介紹，嫦娥五號(hào)主要采用了兩種采樣方式，即機(jī)械臂表取和鉆具鉆取。所謂表取，是用類似于人手的“鏟子”采集月壤;鉆取則可深入月球內(nèi)部2米，鉆取月壤巖芯。在兩天的工作時(shí)間里，嫦娥五號(hào)的各種設(shè)備將采取深鉆、淺鉆以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式采集足量月壤，并進(jìn)行密封封裝，將珍貴樣本送回地球家園。

采取2千克樣本看似簡(jiǎn)單，但卻面臨不少困難。一方面，全新研制的月面采樣裝置需要考慮飛行任務(wù)以及探測(cè)器的測(cè)控、光照條件、電源、熱控等各種約束;另一方面，采樣期間還要面臨月面的高溫工作環(huán)境以及地質(zhì)情況等不確定因素——在白天，月球表面溫度可達(dá)零上180攝氏度。

為了讓采樣物盡其用、獲取更有價(jià)值的研究成果，嫦娥五號(hào)的降落點(diǎn)也很有講究。專家介紹，著陸器將降落在月球正面西北部風(fēng)暴洋地區(qū)，人類的探測(cè)器還未曾到訪此處。科學(xué)家認(rèn)為，這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代比較短，此前美蘇采集的月球樣品歷史更早一些。因此，在風(fēng)暴洋地區(qū)采樣并分析其月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成等，可以更完整地認(rèn)識(shí)和了解月球的形成和演化過(guò)程，甚至有望揭示月球10多億年以來(lái)的火山活動(dòng)和隕石撞擊歷史。

交會(huì)對(duì)接完成“千里穿針”

完成月壤的采樣和封裝后，嫦娥五號(hào)的著陸器將點(diǎn)火起飛，把載滿寶藏的上升器送回月球軌道。

月面起飛上升，這也是中國(guó)航天史上的第一次。從地球出發(fā)時(shí)，“嫦五”還可以乘坐“胖五”，沿著既定軌道奔月;但漫長(zhǎng)的回家之路，沒(méi)有平坦的起飛地、沒(méi)有成熟完備的發(fā)射塔架，嫦娥五號(hào)只能靠自己的本事。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師阮劍華說(shuō)，月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上，這給起飛帶來(lái)很大難度。此外，嫦娥五號(hào)還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限等難題。月面起飛時(shí)，航天器需要自主定位、定姿。

為了確保上升器順利起飛上升，嫦娥五號(hào)研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，并建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證措施，為嫦娥五號(hào)勝利邁出回家的一步保駕護(hù)航。

當(dāng)上升器抵達(dá)月球軌道后，將與軌返組合體交會(huì)對(duì)接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器，這也是此次探月任務(wù)的難點(diǎn)之一。

盡管中國(guó)的空間自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)已經(jīng)成熟，但過(guò)去的工作都是在地球軌道上進(jìn)行的，有充足的地面站與人造衛(wèi)星資源提供精準(zhǔn)測(cè)距、定位、導(dǎo)航服務(wù)。在38萬(wàn)公里外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接，在人類航天史上尚屬首次——此前蘇聯(lián)實(shí)施的3次無(wú)人月球采返任務(wù)，均采用月面起飛后直接返回地球的方式。

彭兢介紹說(shuō)，上升器和軌返組合體交會(huì)時(shí)，兩個(gè)航天器的相對(duì)位置誤差不能超過(guò)5厘米。上升器重量約為三四百千克，軌返組合體則重達(dá)近2000千克，如果采用一定速度的碰撞式對(duì)接，稍有誤差就會(huì)把小的航天器撞飛。因此，科研人員設(shè)計(jì)了兩個(gè)航天器在相對(duì)速度為零的狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)接的方案，這對(duì)航天器的姿態(tài)、測(cè)控精度等提出了更高要求。

“打個(gè)水漂”從太空回家

在距離地球約5000公里時(shí)，返回器將同軌道器分離，獨(dú)自踏上回家之路。經(jīng)歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個(gè)階段，最終平穩(wěn)安全地降落在預(yù)定地點(diǎn)——內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)。

在再入和回收階段，擔(dān)任探月接力任務(wù)“最后一棒”的返回器，將以接近每秒11公里的第二宇宙速度，從38萬(wàn)公里遠(yuǎn)的距離向地球飛奔而來(lái)。與之相比，從數(shù)百公里高的近地軌道返回的航天器，其速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。每秒3公里差距看似不大，但返回器一旦速度過(guò)猛，一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想。

為了讓返回器減速飛行，嫦娥五號(hào)的科研人員提出了“半彈道跳躍式”再入返回技術(shù)方案。用更形象的比喻來(lái)說(shuō)，就如同在太空中打水漂一樣，讓返回器先高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，隨后再以第一宇宙速度“扎入”大氣層，返回地面。

在太空中打水漂看似瀟灑，實(shí)際上對(duì)返回器落點(diǎn)的控制并不容易。為了驗(yàn)證這一技術(shù)，中國(guó)在2014年進(jìn)行了再入返回飛行試驗(yàn)，為嫦娥五號(hào)探路的“嫦娥五T”平安返回地球，驗(yàn)證了再入技術(shù)的可靠性。此次試驗(yàn)也讓中國(guó)成為第三個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國(guó)家。

關(guān)鍵詞： 奔月取土