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”在一起組成不同的“组合”，比如着上组合体、轨返组合体、四器组合体等。

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。

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。

● 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。

●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，待飞到選定着陆点后，“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。

●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。

国旗有话说

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。

●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。

●“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。