環(huán)球時報-環(huán)球網(wǎng)記者從國家航天局獲悉，11月24日4時30分，我國在中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器，火箭飛行約2200秒后，順利將探測器送入預(yù)定軌道，開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。
拍攝：環(huán)球時報-環(huán)球網(wǎng)記者 樊巍 編輯：何卓謙、喬炳新
長征五號遙五運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，先后實(shí)施了助推器分離、整流罩分離、一二級分離以及器箭分離等四次分離。嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，在經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行后，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌運(yùn)行，著陸器承載上升器擇機(jī)實(shí)施月球正面預(yù)選區(qū)域軟著陸，按計(jì)劃開展月面自動采樣等后續(xù)工作。
▲長征五號運(yùn)載火箭奔向蒼穹
據(jù)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(shè)計(jì)師、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，此次嫦娥五號探月任務(wù)將有望創(chuàng)造5個“中國首次”：一是地外天體的采樣與封裝，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！
據(jù)環(huán)球時報-環(huán)球網(wǎng)記者了解，嫦娥五號任務(wù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)：一是突破窄窗口多軌道裝訂發(fā)射、月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月球樣品儲存等關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平；二是實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體自動采樣返回，推動我國科學(xué)技術(shù)重大進(jìn)步；三是完善探月工程體系，為我國未來開展載人登月與深空探測積累重要的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
▲長征五號運(yùn)載火箭起飛（史嘯攝）
▲ 一箭穿云（史嘯攝）
嫦娥五號任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要是開展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；對月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化月球成因和演化歷史的研究。
嫦娥五號任務(wù)由國家航天局組織實(shí)施，具體由工程總體和探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控與回收、地面應(yīng)用等五大系統(tǒng)組成。國家航天局探月與航天工程中心為工程總體單位，中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制運(yùn)載火箭系統(tǒng)、中國空間技術(shù)研究院抓總研制探測器系統(tǒng)。中國衛(wèi)星發(fā)射測控系統(tǒng)部負(fù)責(zé)組織實(shí)施發(fā)射、測控與回收。中國科學(xué)院國家天文臺抓總研制地面應(yīng)用系統(tǒng)，負(fù)責(zé)科學(xué)數(shù)據(jù)和樣品的接收、處理、存儲管理等工作。
中國探月工程是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》明確的國家科技重大專項(xiàng)標(biāo)志性工程，是黨中央著眼我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)全局，為推動航天事業(yè)發(fā)展、促進(jìn)科技進(jìn)步和創(chuàng)新、提高綜合國力作出的重大戰(zhàn)略決策，自2004年1月立項(xiàng)并正式啟動以來，已連續(xù)成功實(shí)施嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、再入返回飛行試驗(yàn)和嫦娥四號等五次任務(wù)。
此次發(fā)射任務(wù)是長征系列運(yùn)載火箭的第353次發(fā)射。
[解讀]嫦娥“五姑娘”首次奔月“挖土”的五大看點(diǎn)：她有可能創(chuàng)造五個首次！
2020年11月24凌晨，長征五號遙五運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)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(zhuǎn)移軌道。嫦娥五號任務(wù)是我國今年航天發(fā)射的重磅任務(wù)，更是中國探月工程“繞、落、回”三步走的最后一步， 將實(shí)現(xiàn)包括我國首次月球無人采樣返回在內(nèi)的一系列高難度任務(wù)。據(jù)介紹，嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4器組成，也是我國目前發(fā)射的重量最重的月球探測器。這么多首次疊加在一起，意味著本次任務(wù)難度非常高，可謂“步步驚心”，同時看點(diǎn)也是層出不窮。在嫦娥五號任務(wù)發(fā)射之前，環(huán)球時報-環(huán)球網(wǎng)記者走進(jìn)文昌航天發(fā)射場，聽多位航天專家權(quán)威解讀嫦娥五姑娘的本次探月之旅。
嫦娥五號探測器在軌工作效果圖，航天八院供圖。下同
看點(diǎn)一：長五發(fā)嫦五——本年度最有“分量”的發(fā)射
據(jù)國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關(guān)鋒介紹，探月工程三期是我國探月工程重大科技專項(xiàng)“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的最后一步，將實(shí)現(xiàn)月球采樣返回。三期工程規(guī)劃實(shí)施兩次采樣返回，在嫦娥五號任務(wù)之后，后續(xù)還有嫦娥六號任務(wù)。同時為了降低飛行任務(wù)的風(fēng)險，已成功進(jìn)行了一次再入返回試驗(yàn)。嫦娥五號任務(wù)是我國迄今最復(fù)雜、難度最大的航天任務(wù)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(shè)計(jì)師、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇表示，嫦娥五號任務(wù)有望創(chuàng)造5個“中國首次”：一是地外天體的采樣與封裝，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(wù)運(yùn)載火箭和搭載的乘客也是“分量”十足。據(jù)專家介紹，嫦娥五號月球探測器重達(dá)8.2噸，是我國目前發(fā)射的重量最重的月球探測器。作為我國探月三期工程采樣返回任務(wù)的核心，由中國航天科技集團(tuán)研制的嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4器共包含15個分系統(tǒng)組成。而嫦娥五號探測器需要直接被送入近地點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)41萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道，“在長征火箭家族中，只有長征五號運(yùn)載火箭可以將這么重的載荷直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，這是對運(yùn)載火箭能力的集中檢驗(yàn)，也是對中國航天能力的最佳注解。”長征五號火箭第一總指揮、航天科技集團(tuán)一院黨委書記李明華介紹稱。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，這是長征五號系列運(yùn)載火箭第六次發(fā)射，也是2020年第三次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。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(yùn)載火箭成功發(fā)射 “天問一號”火星探測器。
此前美蘇也曾進(jìn)行過月球采樣返回，本次任務(wù)有什么異同呢？航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢介紹，人類過去的采樣返回任務(wù)要么是載人登月，通過宇航員攜帶不同的工具去采樣，然后將樣品帶回來。或者像蘇聯(lián)用一個單一的采樣裝置去采樣，每次采樣量大概一兩百克。中國這次瞄準(zhǔn)的是采到公斤級樣品。
看點(diǎn)二：嫦娥五號的“四大護(hù)法”長什么樣
航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)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(diǎn)像穿糖葫蘆，從上到下依次是上升器，著陸器、返回器和軌道器，這四部分在發(fā)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(jù)不同的任務(wù)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，起飛以后進(jìn)入環(huán)繞月球軌道后，它會作為目標(biāo)飛行器，由軌返組合體和它進(jìn)行交會對接，完成之后再把樣品轉(zhuǎn)移到返回器里面。著陸器顧名思義就是要在月球表面著陸，它的主要功能包括攜帶上升器以著陸上升組合體的形式落在月面。著陸后，它最重要的工作就是分別由鉆取和表取方式完成月球表面的采樣并完成封裝。返回器的功能就是當(dāng)完成交會對接、樣品轉(zhuǎn)移到返回器之后，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(dān)在不同軌道上飛行的任務(wù)，比如在發(fā)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(zhuǎn)移。到了月球之后，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(jìn)入環(huán)繞月球軌道，并且在軌道上軌道器要和返回器構(gòu)成一個組合體和著陸上升器分開，著陸上升器去著陸，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(jìn)入月球軌道，然后在月球軌道的飛行過程中，它要進(jìn)行交互對接的準(zhǔn)備工作。完成交會對接和樣品轉(zhuǎn)移之后，它將在環(huán)月軌道上攜帶返回器飛行一段時間。等待合適時機(jī)，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(zhuǎn)移。回到地球附近之后，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(guī)避機(jī)動，確保返回器能夠安全著陸，然后它會進(jìn)入一個環(huán)繞地球的大橢圓軌道，等待后續(xù)處置。
看點(diǎn)三：采樣區(qū)域選擇大有講究
據(jù)國家航天局介紹，嫦娥五號任務(wù)的采樣區(qū)域是在月球正面風(fēng)暴洋西北部，采樣方式是機(jī)械臂表取和鉆地鉆取的方式，采樣量約兩公斤，月面工作時間約兩天。
那去月球表面采樣有哪些重要意義呢？中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)研究所教授肖龍對媒體介紹，月壤是研究月球的樣本，由月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風(fēng)轟擊和宇宙射線輻射等空間風(fēng)化作用后形成，其中有大量的月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質(zhì)。科學(xué)家通過研究這些月壤物質(zhì)，既可以了解月球的地質(zhì)演化歷史，也可以為了解太陽活動等提供必要的信息。
全國空間探測首席科學(xué)傳播專家龐之浩告訴《環(huán)球時報》記者，探測月球有3種常用方法：一是環(huán)繞探測，二是著陸和巡視探測，三是采樣返回探測。從技術(shù)層面看，3種空間探測方式每一步都是對前一步的深化，并同時為下一步奠定基礎(chǔ)。完成月球采樣返回任務(wù)，需要經(jīng)歷一個全面、精細(xì)、深入的科學(xué)探測過程，可以突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，并為今后載人登月和月球科研站選址等提供有關(guān)數(shù)據(jù)、奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
本次任務(wù)的采樣地點(diǎn)選擇在風(fēng)暴洋西北部有哪些考量呢？航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢介紹稱，嫦娥五號任務(wù)的著陸地點(diǎn)就在月球正面風(fēng)暴洋西北部，這個位置過去還沒有人類探測器，無論著陸還是載人的，還是返回的，都沒有去過?？茖W(xué)家根據(jù)目前的研究成果，認(rèn)為這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代比較年輕。相比過去已經(jīng)帶回到地球的樣品和從地面開展的研究來講，如果能夠?qū)⑦@塊區(qū)域的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，能夠幫助人類更好地認(rèn)識月球形成過程。同時，選擇在暴風(fēng)洋西北部采樣也有從工程實(shí)現(xiàn)角度來考慮的因素。
為什么要采用兩種采樣方式呢？彭兢表示，從完成任務(wù)本身來講，過去人類歷史上無人月球采樣，只有蘇聯(lián)用鉆取方式，他們的鉆頭中間是一個中空結(jié)構(gòu)，通過把鉆頭深入到月球表面以下，然后中空的管子里邊能夠取樣。那么我們過了幾十年再采樣的話，當(dāng)然也可以在蘇聯(lián)已經(jīng)使用的這種鉆取采樣的基礎(chǔ)上，提高技術(shù)水平，比如說采更多的樣，還有另外一種方式就是換一種采樣方式，然后獲得不同的樣品。所以從這個角度考慮，我們認(rèn)為單一的采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(shù)量的樣品。另外我們從工程本身來講，設(shè)計(jì)鉆取和表取這兩種方式，可以互為備份。
看點(diǎn)四：“五姑娘”采樣返回要過N道關(guān)
嫦娥五號被“胖五”成功送入地月轉(zhuǎn)移軌道，這是本次任務(wù)系列步驟中的第一步，后續(xù)它還將在20多天中突破層層技術(shù)難關(guān)并最終完成采樣返回。這一點(diǎn)從嫦娥五號任務(wù)的眾多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)就可見一斑。據(jù)國家航天局探月與航天工程中心黨委副書記關(guān)鋒介紹，嫦娥五號任務(wù)在文昌航天發(fā)射場用長征五號運(yùn)載火箭直接將探測器送入地月轉(zhuǎn)移軌道，探測器與火箭分離之后，將完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動進(jìn)入環(huán)月軌道，在環(huán)月軌道上四器要進(jìn)行第一次分離，著陸器上升器組合體（“著上組合體”）與軌道器返回器組合體（“軌返組合體”）進(jìn)行分離，著上組合體將降落在月球正面風(fēng)暴洋西北部區(qū)域，之后在48小時之內(nèi)通過機(jī)械臂表取與鉆地鉆取兩種方式共采集月面的土壤和巖石樣品約兩公斤，同時進(jìn)行科學(xué)探測。完成采樣和封裝后，上升器在月面起飛，與位于月球軌道上的軌返組合體進(jìn)行交會對接，并將樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)，隨后軌返組合體與上升器分離，在預(yù)定時機(jī)加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，飛行至地球約5000公里高度時，軌道器和返回器再次進(jìn)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，返回器開傘著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)域。地面搜索回收力量在兩天內(nèi)完成地面回收。整個過程歷時23天左右。
《環(huán)球時報》從航天科技集團(tuán)五院了解到，發(fā)射成功后，嫦娥五號將經(jīng)過11個階段，20余天的在軌飛行過程，飛行程序非常復(fù)雜，技術(shù)性能要求嚴(yán)格。據(jù)專家介紹，嫦娥五號探測器任務(wù)技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。關(guān)鍵一：軌道設(shè)計(jì)復(fù)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(shè)計(jì)受到測控、運(yùn)載和著陸場的限制，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(zhuǎn)移等新的飛行階段，飛行過程復(fù)雜，軌道設(shè)計(jì)難度大。關(guān)鍵二：月面采樣封裝技術(shù)新。采樣封裝是嫦娥五號月球無人采樣返回任務(wù)的核心環(huán)節(jié)之一。月面采樣封裝任務(wù)采用表鉆結(jié)合，多點(diǎn)采樣的方式，采樣裝置為全新研制，技術(shù)新、難度大。關(guān)鍵三：月面起飛上升驗(yàn)證難。上升器基于著陸平臺的月面起飛需解決月面起飛初始基準(zhǔn)與起飛平臺姿態(tài)不確定、發(fā)動機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限、地月環(huán)境差異帶來的驗(yàn)證技術(shù)難度大等問題。關(guān)鍵四：月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)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(wù)，對對接和樣品轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)；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(jī)構(gòu)大小的限制，對接精度的要求較高。
看點(diǎn)五：回家之路仍有挑戰(zhàn)
根據(jù)國家航天局的介紹，本次任務(wù)采用半彈道、跳躍式返回，著陸區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古四子王旗相關(guān)區(qū)域，2014年10月曾成功試驗(yàn)了飛行器以第二宇宙速度再入返回，驗(yàn)證了氣動力、氣動熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為嫦娥五號任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
據(jù)彭兢介紹，從宏觀上講，嫦娥五號任務(wù)的返回器跟2014年驗(yàn)證試驗(yàn)時返回器狀態(tài)是一致的。因?yàn)槟谴物w行試驗(yàn)的目的就是為了驗(yàn)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，這里邊涉及到的氣動、防熱、控制等一系列復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)。2014年成功驗(yàn)證之后，使得我們對完成嫦娥五號任務(wù)有了更多信心。前提條件就是能夠充分繼承那此試驗(yàn)中返回器的狀態(tài)，但實(shí)際上這兩個返回器還是有一些細(xì)微差別的。主要就是因?yàn)檫@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(jī)構(gòu)，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(jìn)入到艙里面，在返回地球過程中還要保證這個艙門可以關(guān)上以保護(hù)樣品。針對這些差別，研制人員已經(jīng)做了大量地面試驗(yàn)。
而其中再入返回只是返回器回地球的最后一步，在此之前還有一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——高精度月地入射。《環(huán)球時報》記者從航天科技集團(tuán)五院了解到，月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機(jī)動，使軌返組合體進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，由于月地關(guān)系的不斷變化，月地入射窗口及入射點(diǎn)位置均受到嚴(yán)格約束，為理論上的零窗口；同時，月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點(diǎn)精度，影響返回器的安全著陸，控制精度要求高。而在完成高精度月地入射之后，飛行器將迎來回家之旅又一個關(guān)鍵點(diǎn)——以第二宇宙速度再入返回地球大氣。
據(jù)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，從而減小著陸速度，拉長航程，有利于選擇降落區(qū)。
來源：環(huán)球時報-環(huán)球網(wǎng)/劉揚(yáng) 樊巍 葉雨恬
