嫦娥五号，才不是从月球“挖土”回来那么简单

出品| 网易新闻

作者| 庞之浩，全国空间探测技术首席科学传播专家

2020年11月24日凌晨4点半，中国在海南文昌航天发射场用长征五号遥五大型运载火箭，成功将重量达8.2吨的嫦娥五号探测器直接送入地月转移轨道。

根据计划，嫦娥五号将在月面采样后，携带约2千克月球样本于升空后23天回到地球，这也标志着中国的探月工程所规划的环绕探测、落月探测和采样返回探测（简称“绕、落、回”）的“三步走”发展战略圆满收官。

嫦娥五号是中国目前为止最重的航天探测器，整个嫦娥五号任务也是中国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一，关于嫦娥五号，相信你一定有不少疑问，下面我们逐一为你解答。

（一）8.2吨，嫦娥五号为何这么重？

目前，中国已经发射了6个“嫦娥”系列月球探测器，其中嫦娥五号是最重的，达到8.2吨，这是为什么呢？

嫦娥五号要完成的任务是最复杂、技术难度最大的，要实现月面自动采样返回，完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。所以，它不像嫦娥一号、二号由1个空间飞行器组成，也不像嫦娥三号、四号和五号T1由2个空间飞行器组成，而是由上升器、着陆器、轨道器和返回器这4个空间飞行器像“葫芦娃”一样“串”在一起。

嫦娥五号月球采样返回器结构图

而且，采集量的多少会影响到容器的大小，进而影响到整个探测器的体积、重量，以及推进剂的需求。比如，为了钻取0.5公斤的样品，探测器上的钻取机构要达到七八十公斤，为了表取1.5公斤的样品，表取机构也要几十公斤，这100多公斤的采样机构都要由探测器送到月球去，会影响到探测器整体的重量、体积和功耗。

以2公斤的采样量作为初始值来设计探测器，嫦娥五号探测器的总重量达到8.2吨，如果增加样品的量，整个探测器很多指标都会增长，8.2吨很可能不够，最后会超过火箭的运载能力，目前的设计是平衡后的结果。

经过论证，2公斤的数量不算少，工程上可实现。

机械臂采样示意图（来源：装备科技）

（二）4点30分，为何选在凌晨发射？

长征五号火箭的这次发射是在11月24日凌晨4:30进行的，这不仅对于所有任务参与人员来说很辛苦，基本上是通宵达旦，就连对于观看发射的公众也不轻松，半夜就得爬起来。

有些人不禁就问，为什么非要在凌晨4点半发射呢？

长征五号遥五火箭凌晨发射嫦娥五号（陈肖 摄）

这是由嫦娥五号月球采样返回器的发射窗口所决定的。

所谓发射窗口是指比较合适运载火箭发射包括人造地球卫星、载人航天器和空间探测器等航天器的一个时间范围（即允许运载器发射的时间范围）。确定发射窗口通常要根据天体运行轨道条件、航天器的轨道和工作条件、地面跟踪测控通信以及气象要求等，建立一个数学模型，输入相关数据，再经过精心计算推导出来，因此比较复杂。

发射窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计算，窄的只有几十秒钟，甚至为几秒钟。

长征3号乙火箭发射嫦娥3号落月探测器

由于每个航天器承担的任务不同，航天器上安装的仪器、设备使用要求不同，因此它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件，而这些要求有时又互相矛盾，所以选择什么时间发射就必须考虑各方面的要求，经综合平衡后选择一个比较合适的发射窗口。

根据地球和各种地外星球的运行规律，火星探测器每隔26个月有1次发射机会，金星探测器每隔19个月有1次发射机会，水星探测器每隔4个月有1次发射机会……按理说，据地月的运动规律，月球探测器每月都有1～2次的发射机会。

不过，由于地月距离较远，探测器用于中途修正所需的推进剂有限，而地球和月球的相对位置在不断发生变化，还要考虑火箭与探测器分离后的光照因素，所以对轨道设计提出了非常高的要求。

综合细致考虑长征五号的运载能力、嫦娥五号的任务要求，太阳、地球和月球不断变化的相对位置，以及天气等其他因素，2020年11月24日凌晨4点半是最佳发射时间，可以满足地月位置关系、火箭自身性能、探测器地月转移时间和返回器再入航程等各种约束条件，能“走捷径”，从而大大节省嫦娥五号奔月时用于中途修正所需的推进剂。

在凌晨发射，还能减少来自太阳活动对于嫦娥五号的影响，有利于信号的传播（因为夜晚的天空云层更少）和方便观测。

地月转移轨道示意图（来源：航天八院）

此外，嫦娥五号着陆日选在满月当天，也就是北京时间11月30日，这正是月球正面一个月昼的开始，也是着陆采样点日出之际（一个月昼为期14个地球日），嫦娥五号探测器可以有效利用持续稳定的太阳光照，为仪器设备供电保温，同时方便钻孔探测、采集样品，以及各种拍照探测等。

确定嫦娥五号着陆日，再倒推4.5天奔月飞行时间以及2.5天环月飞行时间，最终确定了11月24日凌晨这个发射嫦娥五号的发射窗口。

（三）23天时间里，嫦娥五号要克服哪些困难？

从发射到返回的23天时间里，嫦娥五号总共要经历11个重大飞行阶段，其中包括23次重大的轨道控制和6次重大分离控制，以及动力下降和月面起飞、交会对接等很多风险比较高的项目，其整个飞行过程大致如下：

在具体实施过程中，要克服不少从未遇到过困难。例如：

在月面上采集样品时，着陆器上的采样装置要在月球低重力环境下具备研磨、钻孔、抓取月壤和输送月壤、岩石的能力。

尽管地球上的机械手能在模拟月球重力环境的试验条件下做得很好，但真实的月球重力环境与模拟环境会存在误差。所以，机械手在地球上做出的精确动作，在月球上能否重复完成是一个较大的挑战。

嫦娥五号着陆器上的机械臂展开示意图（来源：神舟传媒）

另外，采集的样品封装到上升器后，上升器要从着陆器上起飞，这将是中国空间飞行器第一次在地外天体起飞，难度很大。

这是因为，上升器起飞时喷射的火焰会碰到着陆器，从而可能产生干扰上升器的力。另外，月球表面环境复杂，着陆器不一定是四平八稳的状态，也无法像地球发射塔架那样配置火箭导流槽，所以要克服月面起飞轨道设计、月面起飞测控和发动机羽流导流等困难。

嫦娥五号上升器带着样品离开着陆器示意图（来源：神舟传媒）

还有，携带月球样品的上升器起飞后，要在38万公里远的月球轨道与轨返组合体进行无人交会对接，把采集的样品转移到返回器中，这在世界上是第一次。

中国在地球轨道上有着比较成熟的航天器交会对接经验，多次采用“小追大”的模式，即小质量飞船追大质量“天宫”。但在月球轨道上进行交会对接要“大追小”，即有较多燃料的大质量轨返组合体追小质量上升器，而且距离地球几十万公里，稍微控制不好就会偏离到太空中，或撞开返回器，因此对交会对接精度要求更高。对接全步骤要在21秒内完成，1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。

嫦娥五号月球轨道交会对接采用停靠抓捕式交会对接方式，为此，中国研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构，它具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点，通过增加连杆棘爪式转移机构，实现了对接与自动转移功能的一体化，这些设计理念都是世界首创。

它与载人航天对接机构不同，从“太空之吻”变成“月轨相拥”。

上升器与轨返组合体在月球轨道交会对接示意图（来源：航天八院）

（四）11千米/秒，嫦娥五号采样返回为何最难？

嫦娥五号的返回器在再入地球大气层时，与返回式卫星、宇宙飞船的返回舱以大约7.9千米/秒的第一宇宙速度再入地球大气层不同，它是以11千米/秒接近第二宇宙速度的速度再入地球大气层，这就带来很大的技术挑战。

再入速度提高一倍，再入热量将提高8～9倍，返回器很容易被烧毁。所以，返回器以接近第二宇宙速度再入地球大气层的技术十分复杂，无法通过地面模拟得到充分验证，是嫦娥五号月面采样、月面上升、月球轨道交会对接、再入返回四大关键技术中最难的一项，风险很大。

为了降低工程风险，确保嫦娥五号采样返回任务的精确完成，中国在2014年10月24日先发射了一个号称“小飞哥”的嫦娥五号T1空间飞行器，以掌握返回器超高速再入返回的关键技术。

嫦娥五号T1成功在着陆区预定区域着陆后工作人员对返回器进行现场检测

嫦娥五号T1升空后先飞抵月球附近，然后自动返回地球，最终其返回器于同年11月1日采用半弹道跳跃式以11千米/秒的速度再入大气层，在内蒙古预定区域顺利着陆。

这是中国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球，使中国成为继苏联、美国之后，世界第三个成功回收绕月航天器的国家，表明中国已突破和掌握了航天器超高速再入返回的关键技术。

嫦娥五号T1的返回器与服务舱分离后采用半弹道跳跃式再入返回示意图

所谓半弹道跳跃式再入大气层是指航天器进入大气层后，依靠升力再次冲出大气层，以减速耗能，然后再次进入大气层。换句话说就是采用“打水漂”的方式再入大气层，在大气层中“一出一入”。

这样可延长返回器在大气层内飞行的轨迹，消耗掉部分能量，减小着陆速度。考虑到中国内陆着陆场等各方因素，为实现长航程、低过载的返回，所以采用这种方式。

由服务舱（下）和返回器（上）组成的嫦娥五号T1在轨飞行示意图（来源：神舟传媒）

嫦娥五号T1由服务舱和返回器两部分组成，返回器具备返回着陆功能，与嫦娥五号任务中的返回器基本一致。

这次，嫦娥五号升空23天后，返回器也将携带样品以11千米/秒的速度再入地球大气层，这是一次实战考验，返回器再入地球大气层时需要一个安全、稳妥的返回路线，对返回器的气动外形、防热材料以及控制都提出了很高的要求。

嫦娥五号轨返组合体飞近地球示意图（来源：航天八院）

另外，为了使嫦娥五号返回器返回地球时在中国的可控范围内，需要控制好轨返组合体的姿态，如果开始的出发点控制得不好，着陆点就可能偏离得过远进而无法找到。

嫦娥五号的工程目标之一是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础，其采样返回任务对未来载人登月选址有一定帮助。另外，嫦娥五号采用月球轨道交会对接方案，这也为中国未来的载人登月奠定了基础，因为这种方案也适合载人登月。

最后，祝愿嫦娥五号能圆满完成任务，携带月球样品的返回器凯旋回家。

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