嫦娥五号奔月“挖土”专家详解背后关键技术

嫦娥五号是我国探月工程“绕、落、回”三期任务的收官之战，将实现我国首次月球无人采样返回。

2020年11月24日4时30分，我国在文昌发射场用长征五号运载火箭，成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。根据中国航天科技集团消息，此次嫦娥五号任务总共历时23天，将采集约2千克的月球岩石、土壤样本返回地球。北京时间12月6日12时35分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。

嫦娥五号是我国探月工程“绕、落、回”三期任务的收官之战，将实现我国首次月球无人采样返回。

嫦娥五号由轨道器、着陆器、上升器、返回器组成。其中，由中国航天科技集团有限公司八院研制的轨道器，将承担地月往返运输、月球轨道交会对接、样品容器转移等重任，就像一位艺高胆大、超级炫酷的“太空快递小哥”，从地球出发赶到38万公里外的月球轨道上，取一份来自月球的珍贵样品，再快递回地球。

目前最复杂的空间飞行器之一

据中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍，轨道器的工作贯穿整个嫦娥五号探测任务。

发射升空后，这位“太空快递小哥”第一项任务是运输。作为一个自主飞行器，它负责携带着陆器、上升器和返回器，完成地月转移、中途修正和近月制动。进入环月轨道后，轨道器与着陆器上升器的组合体分离，携带返回器留在轨道上等候“取件”。

着陆器与上升器组合体抵达月球，完成月壤样品的采集任务后，上升器携带样品从月面起飞，与等候在月球轨道的轨道器自主交会对接，并将携带的样品容器转移至返回器。与对接舱、上升器分离后，轨道器将携带返回器进入月地转移轨道;在距离地球5000公里处与返回器分离，将返回器投送回地球。

“在嫦娥五号整个任务中，轨道器在轨共有5次分离、6种组合体状态，承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，是目前最复杂的空间飞行器之一。”查学雷介绍说，担负重任的轨道器在技术上呈现“三多”特点： 一是飞行阶段多。轨道器参与运载发射、地月转移、近月制动、环月运行、月面下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收等探测器系统11 个飞行阶段中的8个阶段。

二是器间状态多。轨道器在飞行过程中有6种组合体状态，承担器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，多种组合体飞行状态器间接口复杂，轨道器任务过程要经历多次的变轨和姿态调整，轨道飞行、姿态控制难度大，机、电、热接口可靠性要求高。

三是分离次数多。轨道器要顺利完成地月转移，并将装有样品容器的返回器带回地球，整个过程涉及5次分离，包括与火箭分离、与着陆上升组合体分离、与支撑舱分离、与对接舱上升器组合体分离、与返回器分离。在轨分离次数多，分离环境复杂，系统设计难度极大。

首次月球轨道自动交会对接

作为嫦娥五号“飞天采样”任务中的一位“太空快递小哥”，轨道器最重要的一项任务是“取件”。在距离地球38万公里外的月球轨道上，轨道器与上升器自动交会对接，并将上升器里的样品转移到返回器。这是人类航天器首次在月球轨道上进行自动交会对接。对接与样品转移机构均由中国航天科技集团八院研制。

据中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍，嫦娥五号轨道器与上升器采用的对接方式，与我国载人航天采用的对接方式有很大区别。载人航天采用的是“异体同构周边式对接机构”，两个航天器对接后形成80厘米左右的通道，航天员可以在其中穿行。嫦娥五号采用的是“抱爪式对接机构”，通过增加连杆棘爪式转移机构，实现对接与自动转移功能的一体化。这些设计理念均为世界首创，对接精度可以达到毫米级。

“所谓抱爪式，就像我们的手握棍子的动作，两个方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇解释说，“对接机构由3套K形抱爪构成，当上升器靠近时，只要对准连接面上的3根连杆，将抱爪收紧，就可以实现两器的紧密连接。”

当轨道器和上升器对接完成后，还需将上升器里装有月壤样品的容器转移到返回器。连杆棘爪式转移机构，可以巧妙地利用倒三角形构型的棘爪，通过伸缩，将容器逐渐移动到返回器中。

据八院805所对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲介绍，由于月球轨道相对于地球轨道有时延，时间走廊较小，对时效性要求非常高，必须一气呵成完成对接与转移任务。所有步骤要在21秒内完成，1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为保证万无一失，研制团队做了35项故障预案，从启动开始到交会对接，全部采用自动控制。

多项关键技术获得突破

为了完成极其复杂的月球无人取样返回任务，嫦娥五号好似一位“变形金刚”，需要在太空中完成“分离—组合—再分离—再组合”的变形过程。

针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难、运载与发射场新等特点，八院的轨道器研制团队突破了多项关键技术，将这位“太空快递小哥”打造得铮铮铁骨、身轻如燕，艺高胆大、超级炫酷。

为了保证组合状态下器与器连得稳固、分离过程中器与器安全可靠地分开，轨道器拥有5个分离面。研制团队摒弃了传统的舱段间连接方式，创新性采用了多点高强度的分离螺母进行连接。这种连接方式，通过在各分离面配置不同数量的分离螺母，以满足舱段间连接强度与刚度要求。同时，“双作动”分离螺母包含两套解锁机构，其中任意一套动作，就能确保分离面每一个分离点的可靠分离。

轨道器采用了分舱段设计，各舱段都有对应的配电管理、热控管理、信息管理需求。研制团队创新提出分区域管理的分布式综合电子单机设计思想，以及整器电气管理的区域化、標准化、模块化设计思想。通过制定一系列标准规范，使综合电子系统从内到外整齐标准，灵活组装、易于拓展，跑得稳软件，传得好信号，点得起火工品，控得住机构。

为了控制“体重”，轨道器在要求强大承载能力的同时，还必须“身轻如燕”。为此，研制团队首次使用了大承载复杂构型轻量化结构;首次创新使用多次分离复杂构型;首次使用多冗余路径复合传力结构，首次采用大承载复合材料承力球冠技术等7项创新技术。仅46千克的承力球冠，能承载3吨贮箱，具备30吨的极限承载能力，堪比“鸡蛋壳上挂秤砣”。

月球轨道对接与样品转移技术，是嫦娥五号“飞天取样返回”能否成功的关键技术之一。早在2011 年1月，八院805所就开始进行相关技术攻关和工程研制。研制团队突破了轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术，构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统。

10年来，八院的研制团队先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程的万无一失。

为什么要去月球“抓土”

月球采样返回，也就是到月球上去“抓把土回来”，是嫦娥五号的核心任务。着陆器在月球表面上顺利降落后，将通过铲取、钻取两种方式，采集约2公斤的月球样品带回地球。月球上的土壤或者岩石碎片究竟有什么研究价值，需要我们万里迢迢前去采集？

在中国科学院国家天文台研究员郑永春看来，月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带，包含相关区域的大量信息。对月壤的研究不仅涉及月球本身，还能获得太阳系空间物质和能量的重要信息，其中包括太阳系早期演化的历史记录、月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史、月球中挥发分的脱气历史、太阳风的组成、太阳表层的成分特征、小天体和微陨石撞擊月球的历史记录等。

研究月球样本对开发月球资源同样意义重大。月壤中含有氦3，这个让科学家极为兴奋的发现，就是研究月球样品的成果。氦3是世界公认高效、清洁、安全的核聚变发电燃料，据计算，100吨氦3所能创造的能源，相当于全世界一年消耗的能源总量。氦3在地球上的蕴藏量极少，全球已知且容易取用的只有500公斤左右;而早期探测结果表明，月球浅层的氦3含量多达上百万吨。尽管开采和利用月球上的氦3还要攻克大量技术难题，但这无疑是人类解决能源危机的希望之一。

月球样本的研究价值如此丰富，难怪科学界认为美国的阿波罗计划最大的贡献并不是让人类的足迹印在了月球上，而是带回了月球的样本。从1969年到1972年，美国共完成6次载人登月，共带回约382公斤月球样品，获取了大量科学成果。

几十年间，美国国家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究月球样品的申请，这来自全世界10多个国家的500多名科学家。NASA共向外发放5万多份月球样品，供天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学、地质学等不同领域的科学家开展研究。

其中的一份1克的月球样品，被当作与新中国正式建交的礼物，由时任美国国家安全事务顾问的布热津斯基在1978年访华时赠送给了中国。“当时的国家领导人问教育部和中国科学院的负责人，全国有没有人研究过月球上的石头？他们都回答说没有。但中科院的负责人说，我们这儿有一个人研究过天上掉下来的陨石，国家领导人就拍板说让他来。那个人就是我。” 中国科学院院士、中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远向记者回忆说。

当时40岁出头的欧阳自远舍不得用完这颗只有黄豆大小、要用放大镜才看得清楚细节的月球样本，只用了一半来研究，把另外0.5克送给北京天文馆珍藏。就是靠着这0.5克的微量样本，欧阳自远和他的科研团队不仅判断出该样本是在阿波罗17号任务中采集的、确认了采集地点，甚至还分析出样本所在地区是否有阳光照射。根据对这份样本的研究，他们共发表了14篇学术论文。“后来美国的同行见到我们时说：‘这下你们全都知道了。”今天的“嫦娥之父”欧阳自远就此与探月结缘。

月球采样返回的技术难度很高，迄今为止只有美国和苏联两国曾实现。而人类最近一次月球采样是苏联1976年的月球24采样任务，距今已经过去44年。如果嫦娥五号任务成功，中国将成为人类第三个实现月球采样返回的国家。

美国靠着宇航员登月的灵活操作，在取回月球样本的数量上拥有巨大优势;苏联只实现了在月球上的无人采样返回，3次总共只带回了0.336公斤的样本，不及美国的零头。而中国此次首次无人采样返回，目标带回月球样本约2公斤。

嫦娥五号的着陆地点为月球正面西北部的吕姆克山脉。欧阳自远介绍：我国选择的着陆点距离美国的阿波罗计划着陆点有上千公里，很可能将迎来新的现象、新的发现。

国际顶级学术期刊《自然》（Nature）杂志2020年11月5日刊文认为：嫦娥五号计划带回的样本可以填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。之前美国和苏联的月球任务所获得的岩石表明：月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10亿至20亿年前才形成的火山熔岩。如果嫦娥五号的样本证实这段时间月球仍在活动，将改写人类认识的月球历史。

来源|综合新华每日电讯、新民周刊