嫦娥五號飛行的11個階段示意圖
本報記者 馮 華 余建斌 喻思南
黨的十九屆五中全會提出，堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。
以探索太陽系和宇宙的起源、發(fā)展和演化為科學總目標的深空探測，是一個國家科技發(fā)展水平的體現(xiàn)。經(jīng)過幾代人辛勤耕耘與開拓，我國航天事業(yè)取得一系列重大成就。從探月工程穩(wěn)步推進到首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功發(fā)射，我國深空探測深度和廣度不斷拓展，帶動我國航天技術(shù)進步，促進科學認知重大創(chuàng)新。
本版今起推出“科技自立自強·逐夢深空”欄目，關(guān)注在走出地球、邁向深空的過程中，我國航天科技的最新進展，探尋更多創(chuàng)新密碼。
——編 者
11月24日凌晨，中國探月工程嫦娥五號探測器在文昌航天發(fā)射場順利升空，踏上征程。這是探月工程的第六次任務(wù)，也是我國航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。嫦娥五號探測器不僅要成功落月，還要實現(xiàn)月面采樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回地球等多個首創(chuàng)性的任務(wù)環(huán)節(jié)，整個過程分為11個階段，每段都不能出差錯。
出 發(fā)
任務(wù)將經(jīng)歷11個階段、約23天在軌飛行
探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成
國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，探月工程三期將實現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回任務(wù)，是探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步發(fā)展戰(zhàn)略的最后一步。
“我國探月工程2004年立項，從2007年10月實施嫦娥一號任務(wù)，到2013年實施嫦娥三號任務(wù)，已成功完成環(huán)繞和著陸巡視的前兩個目標。嫦娥五號任務(wù)，實現(xiàn)在月球預(yù)定區(qū)域的采樣并返回地球，標志著我國將圓滿完成探月工程‘三步走’戰(zhàn)略規(guī)劃，其成功實施對于開啟月球與深空探測新征程，建設(shè)航天強國有著重要的里程碑意義。”裴照宇說。
去月球“挖土”，是很多人對嫦娥五號任務(wù)的通俗解讀。事實上，嫦娥五號任務(wù)將重點實現(xiàn)三大工程目標，一是要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平；二是要實現(xiàn)首次地外天體自動采樣返回，推進我國科學技術(shù)重大跨越；三是要完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。此外還將開展一系列科學探測，如著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析，月球樣品的分析與研究等。
發(fā)射成功只是一個開始。整個任務(wù)嫦娥五號將經(jīng)歷11個階段、約23天的在軌飛行過程，采集約兩千克月球樣品返回地球。從任務(wù)的操作來看，一次探月飛行包括兩次發(fā)射(地面發(fā)射與月面發(fā)射)，兩次著陸(月面著陸與地球著陸)，兩次封裝(月面封裝與月軌封裝)，一次交會對接(月軌對接)。
裴照宇表示，嫦娥五號任務(wù)順利完成，將有望實現(xiàn)中國航天史上5個“首次”：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲、分析和研究。這將是我國航天技術(shù)的一次重大跨越，為我們進一步認識月球提供重要支撐。
嫦娥五號探測器長啥樣？中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢介紹，與嫦娥一號、二號、三號、四號相比，嫦娥五號的技術(shù)跨度大、結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個器共15個分系統(tǒng)組成。
上升器的作用主要是在月面起飛上升，在月面上將收集到的樣品準備好，然后攜帶樣品從月球表面起飛，進入環(huán)月軌道后和軌返組合體進行交會對接，將月面樣品轉(zhuǎn)移到返回器中。著陸器的主要功能則是攜帶上升器降落在月球表面，通過兩種采樣方式完成月球表面的采樣和封裝，再將其放置在上升器的密封封裝裝置里。返回器完成月球軌道交會對接之后，攜帶月面樣品再入返回地球。軌道器則主要承擔在各個不同的軌道上飛行的功能。
長征五號遙五運載火箭發(fā)射。本報記者 雷 聲攝
落 月
著陸點選擇在人類探測器從未到達過的月球正面西北部風暴洋地區(qū)
將主要采用機械臂表取和鉆具鉆取兩種采樣方式
作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動采樣封裝是最引人注目的環(huán)節(jié)。與其他國家實施的月球采樣相比，嫦娥五號獨具特色，既要實現(xiàn)采樣效率的提升，又要考慮到面向未來的技術(shù)積累。
這種獨特首先體現(xiàn)在著陸區(qū)的選擇上。專家介紹，此次嫦娥五號將降落在月球正面西北部風暴洋地區(qū)，過去還沒有人類的探測器到達過。根據(jù)目前的研究成果，科學家們認為這塊區(qū)域形成的地質(zhì)年代比較短。因此，選擇風暴洋地區(qū)著陸并采樣，可以構(gòu)成對月球形成和演化過程更完整的認識和了解。
嫦娥五號的工作方式也獨具特色。裴照宇說，嫦娥五號主要采用機械臂表取和鉆具鉆取兩種采樣方式，“可靠性更高，同時增加了樣品的多樣性，既有表面的樣品，也有月球內(nèi)部的樣品。”專家介紹，著陸器隨身攜帶了鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，采取深鉆、淺鉆，“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約兩千克月壤并進行密封封裝，最終將月球樣品安全送至地球家園。
首次月面采樣，困難可不少。彭兢說，月面采樣裝置是全新研制的，技術(shù)新、難度大，需要考慮飛行任務(wù)以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束。采樣期間還要面臨月面高溫工作環(huán)境，同時采樣任務(wù)時序緊張、機構(gòu)動作多、不確定因素也很多。著陸器的落點位置，目前預(yù)計是較為松軟的地表，但由于著陸器著陸后不能移動，鉆取采樣裝置正下方的地面到底是松軟的土壤還是堅硬的巖石，都具有不確定性，也都影響著采樣計劃的順利完成。
距人類上一次從月球采樣至今，已有40多年的時間沒有拿到新的月球樣品。此次嫦娥五號任務(wù)帶回的月壤，將如何管理使用？裴照宇透露，有關(guān)部門已經(jīng)編制了相關(guān)的月球樣品管理辦法，會在樣品返回地球之后發(fā)布。科學家表示，對月壤的研究不僅涉及月球本身，還包含太陽系空間物質(zhì)和能量的重要信息。將月球的月壤等關(guān)鍵性樣品運回地面實驗室供科學家進行精準分析研究，有利于進一步了解月球的狀態(tài)、溫度、物質(zhì)含量等重要信息，深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識。據(jù)了解，已有不少國外科學家和航天機構(gòu)提出，希望利用中國獲得的月球樣品開展研究。
返 程
將實現(xiàn)首次月面起飛、在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接、半彈道跳躍式再入返回等多項技術(shù)突破
完成月面工作后，嫦娥五號將踏上回家的旅程。
第一道難關(guān)，就是首次月面起飛上升。在月面起飛，沒有成熟完備的發(fā)射塔架，著陸器就相當于上升器的發(fā)射塔架。月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。此外，還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動機羽流導(dǎo)流空間受限等難題。月面起飛的時候，必須依靠航天器實現(xiàn)起飛時自主定位、定姿。
第二道難關(guān)是交會對接。上升器需要飛到月球軌道上，與軌返組合體交會對接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器。而在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接，不僅在我國尚屬首次，而且也是人類航天史上的第一次。嫦娥五號采用具有世界先進水平的月球軌道交會對接技術(shù)。從上升器進入環(huán)月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉(zhuǎn)移為止，設(shè)計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關(guān)鍵動作，助推嫦娥五號實現(xiàn)完美對接。
嫦娥五號軌返組合體帶著月球采樣產(chǎn)品，將在距離地球5000公里高度處，實現(xiàn)軌道器和返回器的分離。返回器要經(jīng)歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸3個階段，平穩(wěn)安全地降落在預(yù)定地點。裴照宇說，為了讓嫦娥五號順利返回地球，科研人員提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，就像在太空打水漂一樣，讓返回器先高速進入大氣層初次減速，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后以第一宇宙速度扎入大氣層再次減速，返回地面。
“嫦娥五號任務(wù)對于‘繞、落、回’整體規(guī)劃來說，是收官之作；而對于我國未來的月球探測來說，是一個奠基之作。”裴照宇表示，“繞、落、回”之后，我國將與各國合作共建國際月球科研站。
據(jù)介紹，探月工程三期規(guī)劃實施兩次采樣返回任務(wù)，分別是嫦娥五號和嫦娥六號。在探月工程三期研制過程中，對后續(xù)的月球探測也進行了論證，規(guī)劃了嫦娥七號和嫦娥八號任務(wù)，這兩次任務(wù)目標是建設(shè)月球科研站基本型。中國向國際社會發(fā)出了倡議，希望與世界各國合作，共建國際月球科研站，這將為月球科學探測和月球相關(guān)技術(shù)的實驗提供共享平臺。