嫦娥五号“挖土”之旅开启——有望实现中国航天史上多个“首次”

长征五号火箭发射嫦娥五号探测器效果图。中国航天科技集团八院供图

　　11月24日凌晨，琼北古邑，椰林深处，中国文昌航天发射场。

　　身强体壮的“胖五”长征五号运载火箭再一次从这里刺入苍穹，带着“五姑娘”嫦娥五号探测器飞向远在38万公里外的月球。这标志着探月工程“绕”“落”“回”三步走的收官之战正式拉开大幕。

　　对于月球这个地球唯一一颗天然卫星，中国人探索的脚步从未停歇。此前，我国已经完成了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、再入返回飞行试验和嫦娥四号等5次任务，实现了绕月探测、落月探测和巡视探测。

　　如今，中国航天的脚步要再往前迈出一步——采样返回，即发射嫦娥五号探测器落月，获取月壤样品并返回地球。这是我国首次无人月球采样返回任务。

　　国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇告诉记者，作为我国探月工程“绕”“落”“回”三步走的收官之战，嫦娥五号任务有望实现我国航天史上的多个“首次”。

　　从“月宫”潇洒走一回 再捎点“特产”

　　随着嫦娥五号的成功发射，人们的目光又一次聚焦嫦娥家族：与嫦娥家族中前几位姐姐相比，嫦娥“五姑娘”有什么不同，她在大家族中又扮演着什么角色，发挥着什么作用？

　　“首先是‘外貌’即外观造型不同。”据中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器副总设计师阮剑华介绍，与嫦娥一号、二号、三号、四号相比，嫦娥五号探测器的技术跨度大、结构也更为复杂，它是由轨道器、着陆器、上升器、返回器等四器组成。

　　这四器就像“糖葫芦”一样，每一个都是单独的个体，放在一起还能组合，比如着陆器和上升器“抱”在一起，就组合成了“着上组合体”，轨道器和返回器组合，就成了“轨返组合体”。四器“串”在一起，则构成了一个完整的探测器。

　　相应地，嫦娥“大姐”和“二姐”分别是一颗单独的卫星，“三姐”和“四姐”则是由着陆器和月球车“两器”组成。

　　从这个角度来说，嫦娥“五姑娘”是嫦娥家族里结构最为复杂的探测器。

　　嫦娥“五姑娘”承担的使命、任务目标也比较特殊。与前几位姐姐不一样，“五姑娘”要实现我国首次在地外天体无人采样返回，开展月球样品地面分析研究。

　　阮剑华介绍，探月工程从立项之初，就设计了“绕”“落”“回”三步走战略，这意味着嫦娥家族众姐妹将拥有不同的命运和归宿——

　　2007年10月24日，我国成功发射嫦娥一号卫星，2009年3月1日，嫦娥“大姑娘”按预定计划受控撞月，为探月工程一期——“绕月探测”任务画上了一个圆满的句号。

　　2010年10月1日，嫦娥二号卫星发射成功，2012年12月13日，嫦娥二号卫星与图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”，首次实现我国对小行星的飞跃探测。

　　嫦娥“二姑娘”，也因此成了我国第一个行星际探测器。

　　2013年12月14日，嫦娥三号探测器着陆月面，次日，着陆器和巡视器互拍成像，嫦娥三号任务圆满成功，实现了我国首次地外天体软着陆和巡视探测。

　　从此，嫦娥“三姑娘”永久留在了月面，常驻“广寒宫”，和玉兔号月球车一起，遥望地球家园。

　　2019年1月3日，嫦娥四号探测器成功登陆月球背面，成为人类历史上首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，至今状态良好，未来，嫦娥“四姑娘”还将和玉兔二号月球车一起，继续月球背面的探索之旅。

　　嫦娥家族此前的几位“姐姐”，还有一个共同点，就是谁也不能再次回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更远的深空。相比之下，嫦娥“五姑娘”就幸福多了：她从“月宫”潇洒走一回后，还能捎点“特产”——月壤，再次回到地球母亲的怀抱。

　　如今嫦娥五号探测器已成功发射，一路高歌奔向月球，接下来采样返回的旅程更加值得期待。

　　取月壤“钻”“铲”“挖”“夹” 十八般武艺齐上阵

　　月球表面自动采样封装，是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段，嫦娥“五姑娘”将在月面选定区域着陆，并“使出浑身解数”采集月壤，实现我国首次月面自动采样。

　　裴照宇表示，来自中国航天科技集团五院的设计师们采用表钻结合、多点采样的方式，设计了两种“挖土”模式：钻取和表取。

　　当着陆上升组合体软着陆在月球表面，嫦娥“五姑娘”就开始了为期2天的月面工作。

　　“五姑娘”随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”，将采取深钻、浅钻，以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式，采集约两公斤月壤，并进行密封封装。

　　这之后，“五姑娘”再经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程，将月球样品安全送至地球家园。

　　完成月面工作后，“五姑娘”就要踏上“回娘家”的旅程了。

　　万事开头难，想回娘家可不容易，第一步能否“迈好”至关重要。这就涉及突破我国航天史上的另一个“首次”——月面起飞上升。

　　完成月壤采样封装后，“五姑娘”的上升器，要准备月面点火起飞，这是一个高难度科目。

　　人们对于火箭的点火起飞较为熟悉，那是有一套完备的发射塔架系统的，点火起飞位置也经过精确测算，飞行轨道同样是一遍遍计算好的。

　　相应地，月面起飞就有所不同了，它没有一马平川的起飞地，更没有成熟完备的发射塔架，着陆器就相当于上升器的发射塔架，托举“五姑娘”回家。

　　阮剑华说，月球表面环境复杂，着陆器不一定是四平八稳的状态，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。这就给起飞带来很大的难度。

　　此外，“五姑娘”还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞时，“五姑娘”还无法像运载火箭一样“在地面发射前由地面人员完成测调和确认”，而必须依靠航天器“自力更生”，实现起飞时自主定位、定姿。

　　阮剑华说，为了确保“五姑娘”上升器能够顺利起飞上升，中国航天科技集团五院嫦娥研制团队进行了大量的试验验证，并建立了一整套环环相扣的系统保证任务，为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。

　　在太空打水漂 再入返回地球家园

　　当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后，嫦娥“五姑娘”将一路飞奔，直到月球轨道。

　　在这里，上升器还要和轨返组合体交会对接，把采集到的月壤转移到返回器。

　　裴照宇告诉记者，经过几十年的实践探索，我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，但是在38万公里外的月球轨道上，进行无人交会对接不仅在我国尚属首次，在人类航天史上也是第一次。

　　据他介绍，人类此前3次无人月球采样任务，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案；而嫦娥五号则是采用月球轨道交会对接技术。这给研制团队带来了极大的挑战。

　　来自航天科技集团五院的嫦娥五号研制团队，从上升器进入环月飞行轨道开始，一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止，为嫦娥“五姑娘”设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作，助推嫦娥五号实现完美对接。

　　当返回器带着月壤，从38万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来，这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度。一般从近地轨道返回的航天器，其速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。

　　可别小看了这每秒3公里的“速度差”。

　　五院的科技人员做了一个类比：就好像扔石头，同样一块石头，从一层楼扔下去的速度，和从十几层楼扔下去的速度肯定不一样。同理，航天器从数百公里高的近地轨道返回，和从38万公里远的月球返回必然不同。一旦速度过猛，返回器一头撞向地球，后果不堪设想。

　　必须让返回器减速飞行。

　　阮剑华说，航天科技集团五院嫦娥五号探测器的设计师们，为此提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案，“就像在太空打水漂一样，整个再入返回过程，就是让返回器先高速进入大气层，再借助大气层提供的升力，跃出大气层，然后以第一宇宙速度‘扎入’大气层，返回地面”。

　　现在，发射成功，只迈出了嫦娥五号任务的第一步。裴照宇说，接下来嫦娥五号还将经过11个阶段，20余天在轨飞行过程，最终才能完成“挖土”并返回地球。期待嫦娥五号后续精彩旅程，期待荣耀归来的那一刻！

　　中青报·中青网记者 邱晨辉 通讯员 庞丹 来源：中国青年报