非常23 天！“嫦娥五号”奔月带回“土特产”

◎本刊综合

嫦娥奔月不止是神话传说，继“三姐”“四姐”后，2020年11月24日4时30分，嫦娥“五姑娘”搭乘长征五号遥五火箭发射升空，又一次奔赴月球，落在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区，之后成功带回月球的“土特产”，实现我国首次月面采样返回。

这可不是一件容易的事儿，需闯过重重关卡才能完成任务。从地面发射升空到落月“挖土”，从月面起飞到精确入轨，从月球轨道无人交会对接到返回地球……每个环节都必须保证无误，每一次操作都必须精准到位。

那么，嫦娥五号探测器（下称“嫦娥五号”）为什么要千里迢迢去月球“挖土”？为了捧回那抔土，她到底有多拼？有哪些厉害的装备助她闯关成功？我们一起来深入地了解一下吧。

嫦娥“五姑娘”长啥样

好似糖葫芦

“嫦娥五号”是我国目前发射的最重的探测器，重达8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器和上升器“串联”而成，犹如一串糖葫芦。

轨道器、返回器、着陆器和上升器各自独立，又常常“抱”在一起组成不同的“组合”，比如着上组合体、轨返组合体、四器组合体等。

“嫦娥五号”的四部分（图/国家航天局）

或许你会问，轨道器、返回器、着陆器和上升器这重要的“四器”是用来干什么的？

顾名思义，上升器负责携带月球样品从月球表面起飞，然后进入环月轨道，与轨返组合体进行交会对接，并把样品转移到返回器里。着陆器携带上升器在月球表面着陆，之后最重要的工作是完成月球表面采样及封装。返回器的功能是携带月球样品返回地球。轨道器犹如“太空邮差”，在地月之间构建一条太空“物流”通道，既承担地月往返运输任务，将“乘客”安全送往目的地，又在太空中稳妥地完成月球样品的“接收”、“装箱”工作，将珍贵的样品送回地球。

为了完成科学任务，“嫦娥五号”上还装载了多种有效载荷，包括全景相机、全景相机转台、降落相机、月球光谱分析仪、月壤结构探测仪、有效载荷数据处理器等。

身穿“防热拼接装”

返回地球时，“嫦娥五号”以接近每秒11.2千米的第二宇宙速度进入大气层，高速摩擦使表面温度超过3000℃，如此高的温度会严重影响月球样品，所以科学家给嫦娥五号返回器穿上了“防热装”——嫦娥五号返回器采用防热材料。

防热材料需要在耐高温的同时发挥其结构承载性能，是嫦娥五号返回器的“骨骼”。由于各部位受热情况不同，嫦娥五号返回器在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼这7个部位分别采用了7种不同成分的防热烧蚀材料，材料体系以碳为主。这样看来，嫦娥五号返回器的“防热装”还是时尚的“拼接款”呢。

知识链接：

熟悉的“陌生人”——月球

在人们眼中，月球就像一个恬静的姑娘。她的自转周期为655.2个小时，与绕地球的公转周期相同，约等于地球上的27.3天。而地球自转一圈只要24个小时，和月球相比，地球简直像个旋风小子。

月球还是一个低调的姑娘。作为太阳系中第五大卫星，她本身不发光，我们在地球上看到的月光来自太阳的反射光。

由于月球只能俘获微量的太阳风气体，所以几乎没有大气。缺少大气的温度调节，月球白天最热时温度可达127℃，夜间最冷时温度可降至-183℃，真是“性格多变”。

月球表面有大大小小的岩石、撞击坑等，其中雨海是月球表面最大的撞击盆地之一，遍布年轻的火山岩、岩浆岩，具有独特的地质背景。月球上还蕴藏着大量的自然资源，已知有100多种矿物。

“嫦娥五号”脚下的月球（图/国家航天局）

为什么千里迢迢去挖土

从1969年到1976年，6次阿波罗任务和3次月球号任务带回了月球表面9个区域共计382千克月球岩石和土壤样品。正是这些珍贵的月球样品，让我们能够真正接触到有明确产地的月球物质，在实验室里全方位分析研究这些月球物质，确定月球上一部分区域的绝对年龄——这是月球探测器遥感探测和在地球上分析月球陨石所做不到的。

但是，我们仅仅通过这些月球样品来认识月球，太局限了，我们对月球的认识不管在空间上还是时间上都是极其不全面的。

唯一的解决办法就是重返月球，采集更多来自不同地质背景、形成于不同历史时期的月球样品。只有这样，我们才能更好地了解月球的历史，比较全面地认识月球，认识地月系统，甚至了解太阳系的过去。这就是“嫦娥五号”不辞辛苦去月球“挖土”的目的。

“嫦娥五号”挖土选址在月球正面风暴洋的东北角，距离阿波罗任务和月球号任务采样区1000千米以上，那里有人类之前未曾找到过的月球“最年轻”的月岩、月壤，它们可能形成于20亿年前甚至6亿年前。

星际闯关，关关不容易

2次发射、2次着陆、1次月轨交会对接、5次样品转移、6次分离、“绕月”……23个日日夜夜里，“嫦娥五号”闯过一关又一关，完美地完成了任务。

发射

2020年11月24日 4时30分，长征五号遥五运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空，在破晓中划出一道金色弧线，经过2200多秒的飞行，成功将“嫦娥五号”送入地月转移轨道。

● 为什么选在凌晨发射

长征五号遥五运载火箭在凌晨发射最有利于奔月轨道的设计，满足地球和月球位置关系的限制、火箭射向和滑行时间的约束等各种制约条件。

太阳活动对于“嫦娥五号”来说是非常麻烦的，长征五号遥五运载火箭飞向宇宙的时候，地球正好把太阳光遮住，可避免太多太阳辐射对“嫦娥五号”产生影响。

另外，凌晨天气状况比较稳定，云层更少，有利于信号传播，方便科研人员控制“嫦娥五号”。而且，整体环境亮度比较低，地面的探测仪可以更好地跟踪“嫦娥五号”。

●“胖五”挑战高难度动作

在那飞行的2200多秒里，长征五号遥五运载火箭（又称“胖五”）在太空完成了高难度动作——长时间滑行。

滑行是指火箭主发动机关机后，火箭靠惯性向前飞行。这听上去丝毫不费力气，但实际上，长时间滑行对于一枚火箭特别是一枚零下200多摄氏度的“冰箭”来说，是个不小的考验。

长征五号遥五运载火箭二级发动机从一次关机到再次点火，间隔约935秒。在这一开一关之间，长征五号遥五运载火箭要完成箭体姿态调整、真空状态下推进剂沉底、低温发动机二次启动前预冷等工作，动作非常多。另外，滑行时间长，火箭在空间辐射影响下的环境变化更加复杂，低温推进剂温度和贮箱承受的压力也在不断变化。

●“座椅”更大更舒适

“嫦娥五号”这次奔月乘坐的“座椅”是火箭有效载荷支架，它可不一般，是探月发射以来最大、最轻的“座椅”。

“座椅”的蒙皮厚度为0.9毫米，支撑框是空心的，采用碳桁条。器箭接口直径有3米多，比以前的尺寸都大。“座椅”内各种设备的空间也更大，保证了器箭衔接的稳定性和可靠性。

近月制动

2020年11月28日，“嫦娥五号”到达月球附近，在近月点两次“刹车”，顺利进入环月圆轨道。

分离

2020年11月30日，“嫦娥五号”着上组合体与轨返组合体分离。

落月

2020年12月1日23时11分，“嫦娥五号”成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。这里地势平坦，通信条件好，光照和温度较为理想，之前尚未有人类探测器造访过。

●险！600千米外“全自主跳伞”

在飞行至距月面1.5千米处时，“嫦娥五号”利用光学成像敏感器进行粗避障，剔除大型障碍物；当距月面仅百米时，“嫦娥五号”上的备用激光三维成像敏感器进行精确避障，精准识别选好落点。

一边下降一边避障，待飞到选定着陆点后，“嫦娥五号”一个侧身开始垂直下降，并在距离月面较近时关闭发动机、自由落体……着陆腿缓冲着陆，完美落月！

●稳！“嫦娥五号”“大腿”显身手

通俗地说，着陆缓冲机构就是“嫦娥五号”的“腿”。这4条缓冲、支撑一体化的“腿”可不一般，有着嫦娥三号探测器、嫦娥四号探测器的完美基因，采用具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案，保证收拢简单、展开可靠，解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面的问题。

瞧，靠着那4条“腿”，“嫦娥五号”稳稳地在月球表面着陆，与月球“拥抱”，不翻倒、不陷落。

自动采样

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

●两种挖土模式

“嫦娥五号”采用机械臂表取、钻具钻取两种“挖土”模式，通过深钻、浅钻、铲土、挖土、夹土等各种方式实现多点、多样化自动采样。

●“手臂”指哪挖哪

“嫦娥五号”的“手臂”集高颜值、高科技于一体，各个关节的力量都来自安装在关节处的电机。

关节臂电机有两种，个头不大，力气不小，而且灵活机动，精度可达1度以内，能让“嫦娥五号”指哪挖哪。

“嫦娥五号”在月球表面自动采样(图/国家航天局)

月面起飞

2020年12月3日，嫦娥五号上升器月面点火，3000牛发动机工作约6分钟后，顺利将携带月壤的上升器送入预定环月轨道，成功实现我国首次地外天体起飞。

嫦娥五号上升器在月面点火(图/国家航天局)

国旗有话说

嫦娥五号着陆器和上升器组合体全景相机拍摄的五星红旗在月面成功展开的画面(图/国家航天局）

在嫦娥五号上升器点火前，我终于在月球上惊艳亮相——第一次月表动态展示。炽热的红、灿烂的黄，我的高光时刻足以让全国人民振奋。

我是谁？

我是月球上第一面织物五星红旗。与嫦娥三号探测器、嫦娥四号探测器和玉兔月球车上采用喷涂方式的国旗不同，我是一面真正的旗帜。

我长30厘米，高20厘米，仅重11.8克。别看我不大，但本领超强，能应对从-150℃到150℃超高温、紫外线直射。这得感谢研制我的科研团队，他们的付出令人感动。

在选材上，科研团队花费的时间就超过了1年。他们挑选出二三十种纤维材料，然后通过一系列物理试验，最终决定采用一种新型复合材料，既能满足强度要求，又能满足染色性能要求，还能保证我卷起时在正负150摄氏度温差环境下不会粘连在一起。

我能成功展示，多亏了国旗展示系统。整套系统质量只有1千克，采用二级杆，所有的机构和关键位置都经过了防冷焊处理。

交会对接

2020年12月6日，嫦娥五号上升器与轨返组合体在月球轨道上交会对接，并将样品容器转移到返回器中。

●三大神器来帮忙

由中国航天科工集团有限公司第二研究院25所研制的嫦娥五号交会对接微波雷达，作为中远距离测量的唯一手段，成功引导首次月球轨道无人交会对接。当轨道器、上升器相距约100千米时，微波雷达开始工作，不断为导航控制分系统提供两台航天器之间的相对运动参数，并进行双向通信。两台航天器根据微波雷达提供的信号调整飞行姿态，直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。

“嫦娥五号”采用的对接机构由3套K形抱爪构成，具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。

连杆棘爪式转移机构设计巧妙，具有两套倒三角形构型的棘爪，通过4次伸缩可以让容器移动到返回器中。

返回地球

2020年12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域着陆。

嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆（新华社记者连振摄）

●“打水漂”式返回

“打水漂”式返回即半弹道跳跃式再入，嫦娥五号返回器先高速进入地球大气层，之后与大气产生相互作用力，像打入水中的小石子一样弹跳起来，跳出大气层，到达最高点后开始滑行下降。然后，返回器第二次进入大气层，实施二次气动减速，最后返回地面。

为什么返回器要采用这样的方式返回呢？

嫦娥五号返回器带着月壤从月球风驰电掣般向地球飞来，这时速度接近第二宇宙速度，而从近地轨道返回的航天器速度通常约为每秒7.9千米的第一宇宙速度。这每秒3千米多的速度差，带来的力道大不相同。假如嫦娥五号返回器冲劲过猛，一头撞向地球，后果不堪设想，所以，科研人员决定让嫦娥五号返回器借助地球大气层这个天然屏障，利用空气摩擦产生的阻力实现减速飞行。

特殊的土特殊的用途

“嫦娥五号”带回来的1731克月壤如此珍贵，会被放在哪里呢？

位于北京的中国科学院国家天文台是月球样品的主要存储地点，另外，作为容灾备份，还有一部分储存在湖南韶山，告慰毛主席“可上九天揽月”的夙愿。

或许你们会问，这些月球样品是什么样的，未来有没有机会一睹其风采？

当然有！“嫦娥五号”带回来的月球样品将用于三类用途：第一类，部分样品会入藏国家博物馆，向公众展示，进行科普教育；第二类，与世界各国的科学家共享，也可能有一部分按照国际惯例作为国礼相送；第三类，用于科学研究，科研人员会在实验室对月球样品进行长期、系统的研究，包括它的构造、物理特性、化学成分、同位素组成、矿物特点和地质演化等，深化人类对月球起源、演化等方面的认识，这是主要的用途。

首次在月球表面自动采样与封装，首次从月面点火起飞，首次在月球轨道进行无人交会对接和样品转移，首次携带样品以接近第二宇宙速度返回地球……“嫦娥五号”任务创造了多个“中国首次”，中国探月工程“绕、落、回”完美收官。这是结束，也是新的开始。

星辰征途永无止境，逐梦之行永不停歇。未来，中国还将继续开展月球探测，不断刷新探索宇宙的新高度。