2020 年 11 月 24 日凌晨 4 时 30 分，海南文昌航天发射场，被称为 “胖五” 的嫦娥五号由长征五号遥五火箭运载升空并成功发射，将运送嫦娥五号探测器至地月转移轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。

 

据了解，本次航天任务包括 11 个重大飞行阶段，23 次重大轨道控制，6 次重大分离控制等复杂环节，另有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上 “无人交会对接” 等环节。整个采样返回过程需要持续长达 23 天，发射起飞只是万里长征第一步。

 

此外，娥五号本次月球之旅肩负着重要使命 —— 从月球采集样本并顺利返回。如果嫦娥五号任务成功，中国将成为继美国、苏联之后，第三个从月球运送样本返回地球的国家。

 

 

 

据悉，嫦娥五号探测器由四部分组成，从上到下依次是上升器、着陆器、返回器和轨道器。中国航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢对媒体介绍称，这四个器的功能从名字上大致就能理解：上升器主要携带样品从月球表面起飞；着陆器要在月球表面着陆；返回器的功能是携带月球的样品返回地球；轨道器主要承担各个不同的轨道上飞行的功能。

 

图｜嫦娥五号结构图（来源：百度百科）

 

与嫦娥家族的其他成员相比，嫦娥五号探测器总重量 8200 公斤，是我国目前发射的最重的探测器。相比于嫦娥一号到嫦娥四号的月球探测器，嫦娥五号探测器的结构复杂得多。嫦娥一号与嫦娥二号分别是一颗单独的卫星，嫦娥三号与嫦娥四号也只有一个着陆器与一个巡视器。

 

此次嫦娥五号任务，创造数个 “中国首次”：一是地外天体的采样与封装，二是地外天体的起飞，三是月球轨道交会对接，四是携带样品高速地球再入，五是样品的储存、分析和研究。

 

以月面起飞为例，不同于地球表面的点火发射，有完备的发射塔架系统和精确测算的起飞位置、飞行轨道，月面点火升空没有一马平川的起飞地，更没有成熟完备的发射塔架，都要依靠航天器 “自力更生”，实现起飞时自主定位、定姿。

 

本次出征，由长征五号遥五运载火箭运送嫦娥五号探测器，据悉这也是长征五号的第二次应用性发射任务。长征五号，总长 56.97 米，起飞质量 867 吨。当前，在长征火箭成员中，只有长征五号的运载能力可将 8 吨的载荷直接送入地月转移轨道。

 

据了解，长征五号遥五火箭可把嫦娥五号探测器直接送入近地点高度约 200 公里，远地点高度约 41 万公里的地月转移轨道。

 

另据悉，地月转移轨道是一个大椭圆轨道，探测器与火箭分离后，会进入这一轨道后，进入后无需自身加速，只要沿着地月转移轨道飞行，就可到达近月点附近。

 

从 1 克到 2000 克

 

42 年前，1978 年 5 月 20 日，为打开中美建交的大门，时任美国国家安全事务助理的布热津斯基到访中国，带来了一份特殊的礼物：1 克重的月球岩石标本。

 

这枚标本被一分为二，0.5 克送到北京天文馆展览，剩下 0.5 克交给相关科研院所分析。时年 43 岁的天体化学家欧阳自远主持月岩研究工作，依靠这枚小小的样本，中国科学家发表了 14 篇相关论文。

 

然而，始终有一个疙瘩在欧阳自远心中挥之不去。这位日后的 “嫦娥之父”、中国探月工程首席科学家很清楚：分析能力再强，用的也是人家提供的石头。什么时候中国人能自己登上月球，采集月岩标本？

 

从首次接触月岩 42 年后，也是启动中国探月工程（2003 年）17 年后，中国航天终于迎来了高光时刻：靠自己从月球取回月岩样本。本次嫦娥五号将带回 2 千克月球样本以供研究。

 

嫦娥五号的使命

中国探月工程由 “探”、“登”、“驻” 三步骤构成，简称 “大三步”。其分别指无人探月、载人登月、长久驻月。

 

图｜无人探月三步走计划

 

无人探月这一步，又分成了 “三小步”：“绕”、“落”、“回”。嫦娥五号要在月球表面着陆、采样、返回，承担的是 “回” 这一步。作为中国探月工程载人登月之前的一小步，同时也是无人探月的最后一步，嫦娥五号有望实现中国开展航天活动以来的四个 “首次”。

 

首次在月球表面自动采样；首次从月面起飞；首次在 38 万公里以外的月球轨道上进行无人交会对接；首次携带月壤以接近第二宇宙速度（11.2 公里／秒）返回地球。

 

此前，中国已经成功发射并返回了嫦娥五号探路星。探路星发射，主要检验绕月高速返回地球等一系列工程技术问题，2014 年 11 月 1 日，嫦娥五号探路星返回器在内蒙古乌兰察布着陆，以这次测试作为先导，为嫦娥五号成功发射奠定了基础。

 

在嫦娥五号之前，只有美国的阿波罗宇航员和苏联的 “月球 - 24” 计划从月球上带回了样本。这一次，存在不同之处。首先，嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆，离美国阿波罗飞船的着陆点约 1000 公里。此处从来没有机器或者人类到访的记录，这里的岩石和土壤有 12 亿年的历史，这比当年阿波罗飞行员采集的样本要年轻的多，后者只有 3.1-44 亿年之间。

 

图｜嫦娥五号在月球着陆点 （来源：Phil Stooke）

 

根据Nature杂志在近期一篇名为 “中国将取回 40 年来的第一块月球岩石” 的新闻中提到，“嫦娥五号” 取回的样本有助于研究月球表面的火山活动。此前，科学家认为月球火山活动在 35 亿年前达到顶峰，随后减弱并停止，但后来又发现了最近 10 亿到 20 亿年火山活动的迹象。如果 “嫦娥五号” 返回的样本能够证明这一点，月球历史会被改写。

 

嫦娥五号由 4 部分组成，具体是这样工作的。在月球轨道上，着陆器和上升器会下降到月球表面，轨道器和返回器保持在轨道中。着陆器将使用机械铲和可钻入地下２米的钻头收集样本。

 

整个过程是这样的：长征五号遥五运载火箭将嫦娥五号送入月球轨道，嫦娥五号制动后进行环月飞行。在合适的时机下，着陆器与上升器和嫦娥五号分离，着陆在月球表面指定位置，然后采样、包装，由上升器携带进入环月轨道，和返回器与轨道器交会对接，重新合体完成。

 

之后便是轨道器点火，离开月球轨道，以第二宇宙速度进入大气层，于内蒙古地区着陆。

 

整个过程看起来顺畅，但是其中却苦难重重。

 

第一重困难是如何在月球表面完成采样并进行封装。“封装” 听起来简单，像是把一把土壤装进袋子一样，但是在月球环境下，完成封装动作却不容易。总的来说，封装动作由两部分构成，一是机械臂在月表采集完成后，送入上升器封装；二是上升器上升到月球轨道后，将样本移入返回器封装。封装的好坏，直接关系到嫦娥五号任务的成败，返回器以宇宙第二速度进入大气层，剧烈摩擦之下温度急剧上升，封装不完善，会导致样本焚毁，功亏一篑。

 

第二重困难是月球轨道对接。上升器拿到月球样本后，需要上升到月球轨道和轨道器、返回器对接，其难度之大，不亚于针尖和针尖的碰撞。相同的任务在地球轨道进行，有大量的人造卫星提供导航、测距和定位服务，但月球上类似支持太少，难度可想而知。

 

第三重困难是返回地球。地月距离遥远，返回器驶向地球时，由于不断加速，最终会以第二宇宙速度进入大气层，很可能因摩擦温度过高失败。为了解决难题，这次嫦娥五号极有可能采取 “太空打水漂” 方式减速，二次进入大气层。

 

所谓太空打水漂，就是在返回器进入大气层后，通过飞行控制提升高度，在太空滑行一段时间再进入大气层。这种降落模式官方称之为 “半弹道跳跃式飞行”，通过在大气层内 “一进一出”，消耗返回器的部分能量，减小着陆速度。

 

该技术在 2014 年 “嫦娥五号探路星” 计划中已经测试验证 —— 试验器准确着陆在预定位置。

 

何时实现载人登月？

 

据中国国家航天局透露的消息，目前基本明确探月工程四期还有三次任务：“嫦娥六号” 计划在月球南极进行采样返回；“嫦娥七号” 将是在月球南极进行的一次针对月球的地形地貌、物质成份、空间环境的综合探测任务；“嫦娥八号” 除了继续进行科学探测试验外，还要进行一些构建月球科研基地的前期探索。

 

需要明确的是，中国目前登月计划尚在研究当中，还未到决策阶段。早在 2016 年，中国提出了建设国际月球科研站的设想，并且在 2019 年与欧洲航天局、俄罗斯航天局达成初步共识，三方共同牵头开展国际月球科研站的规划论证工作。

 

然而要实现载人登月，至少要突破两个关键技术。一是具备超大运载能力的火箭；二是登月飞船具备强大变轨能力。

 

根据中国航天科工集团二院研究员杨宇光介绍，发射嫦娥四号使用的长三乙火箭地球同步轨道运载能力是 5.5 吨，奔月轨道运载能力为 3.8 吨，这远远不够。当年美国 “阿波罗” 计划使用的土星 5 号运载火箭，近地轨道运载能力 118 吨，月球轨道运载能力 45 吨。此外，由于登月舱需要近月制动，变轨速度大约为 800-900 米 / 秒，飞船需要精确的变轨从环月轨道返回到月地转移轨道。

 

登月并非易事，但努力值得。作为重要的中转站，征服并且在月球上建立永久基地，将是人类进军深空的重要节点。