2020年11月24日4時30分，嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場發射成功。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走中，第三步的首次任務。
由中國航天科技集團有限公司研製的嫦娥五號探測器，是迄今為止我國研製最為複雜的航天器系統之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成 ，包含15個分系統。在此次任務中，嫦娥五號將經歷11個飛行階段，20余天的在軌飛行過程，採集約2公斤月球樣品返回地球。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹，如果任務取得成功，有望創造我國航天史上的5個“首次”。
多種方式的月面自動採樣
作為此次任務的核心關鍵之一，月球表面自動採樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。
記者從航天科技集團五院了解到，嫦娥五號將在月面選定區域著陸，使出渾身解數採集月壤，實現我國首次地外天體採樣與封裝。
五院設計師們採用表鑽結合，多點採樣的方式，精心設計了兩種“挖土”模式：鑽取和表取。
效果圖。中國航天科技集團八院供圖
當著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面，嫦娥五號就開始為期2天的月面工作。它隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等，將科學分工、精密配合，採取深鑽、淺鑽、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等方式，採集約2公斤月壤並進行密封封裝。
據五院專家介紹，嫦娥五號任務採樣裝置為全新研製，技術新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束；採樣期間面臨月面高溫的工作環境；採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。因而採樣封裝是此次任務的核心環節之一。
月面起飛全靠航天器自力更生
完成月面工作後，嫦娥五號就要踏上歸途。從月球回家可不容易，第一步能否邁好至關重要，這要突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。
嫦娥五號上升器在月麵點火起飛，是一個高難度科目。
眾所周知，運載火箭在地球起飛有一套完備的發射系統，點火起飛位置經過精確測算，飛行軌道也是一遍遍計算好的。
而月面起飛就不一樣了，沒有一馬平川的發射場，更沒有成熟完備的發射塔架，上升器只能站在著陸器身上發射。而月球表面環境複雜，著陸器不一定是平穩狀態，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上，這都會增加起飛的難度。總而言之，整個起飛過程只能依靠航天器自力更生。
效果圖。中國航天科技集團八院供圖
五院專家介紹，面對傾斜發射的技術難題，需要明確起飛穩定性的各項因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現精確入軌，必須通過大量地面仿真和試驗對起飛上升發動機開展驗證。但月面環境的特殊性，低重力、高真空等環境模擬使得地面驗證較為困難。
經過一系列技術攻關，五院科研團隊成功開展了各項試驗驗證，建立了一整套環環相扣的系統保證任務，護送嫦娥五號離開月球。
人類首次月球軌道無人交會對接
嫦娥五號上升器從月面起飛後，將飛到月球軌道上。但要它憑藉一己之力將月球樣品送回地球，卻非力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器、返回器組合體交會對接，把樣品交給返回器，讓其完成接下來的旅程。
上世紀70年代，蘇聯成功實施了三次無人月球採樣任務，先後利用月球16號、20號、24號探測器，一共從月球取回300多克樣品。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者介紹，蘇聯採用探測器從月面起飛直接返回地球的方案。探測器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力極為有限。
效果圖。中國航天科技集團八院供圖
經過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術，但是在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，這給五院科研團隊帶來了極大挑戰。
記者從五院了解到，嫦娥五號月球軌道交會對接採用停靠抓捕式交會對接方式，且無衛星導航信號支持，對接和样品轉移過程自主性要求很高。這需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計。
同時，月球交會對接過程中，地面測控支持能力受限，受到對接機構大小的限制，對接精度的要求較高。此外，嫦娥五號對接機構中必須考慮樣品轉移裝置的設計，保證對接精度滿足樣品轉移相關要求。對接機構與樣品轉移機構一體化設計也是難點。
效果圖。中國航天科技集團八院供圖
從上升器進入環月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移為止，五院設計師為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作，力助嫦娥五號精準完成樣品接力。
帶著月壤高速返回地球
近地軌道航天器再入返回大氣層時，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風馳電掣般向地球飛來，速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。
每秒3公里多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號衝勁過猛，一頭撞向地球，整個任務都將前功盡棄。
為此，科研人員提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案，就像在大氣層表面打水漂一樣，讓返回器先高速進入大氣層，隨後藉助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣返回地面。
2014年，我國發射嫦娥五號再入返回飛行試驗器，模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程，並對跳躍式再入返回技術進行了成功驗證，使我國成為繼美、甦之後，世界第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。
不過，當年的試驗與如今的任務尚有細微差別。五院專家表示，嫦娥五號再入返回設計繼承了此前飛行試驗器的設計，任務再入航程也與飛行試驗器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定不確定性，有可能影響返回器的質量特性，這對返回器製導導航控制系統的魯棒性（控制系統在一定參數攝動下，維持某些性能的特性）提出了較高要求。
除了前述四點，裴照宇還表示，我國將首次實施完整的月球樣品存儲、分析和研究全過程。
效果圖。中國航天科技集團八院供圖
從立項到發射，嫦娥五號任務團隊經歷了10年的艱辛奮戰。圍繞諸多關鍵核心技術和難點，五院充分研究繼承低軌道衛星、高軌道衛星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸與航天器返回等技術經驗，聯合參研單位集中最強陣容攻克難關，確保了嫦娥五號探測器方案設計合理，各項功能性能滿足任務的要求，研製過程技術狀態和質量受控。
在接下來20多天裡，嫦娥五號能否成功完成任務如期歸來，讓我們拭目以待。
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嫦娥五號任務的11個階段
張宇
嫦娥五號從發射入軌到返回器再入回收，一共要經歷11個飛行階段：
一是發射入軌階段。嫦娥五號將由運載火箭發射，進入到地月轉移軌道的飛行階段，開啟探月返回的旅程。
二是地月轉移階段。嫦娥五號完成器箭分離，並展開相應太陽翼，逐步進入預定軌道。地月轉移段飛行時間大約為112個小時，為了確保探測器按照預定軌道順利到達近月點，期間要進行多次中途修正。
三是近月制動階段。嫦娥五號繼續在目標環月飛行軌道正常行進，並在近月點進行減速制動，以合適的運動速度進入到環月圓軌道，最終進入的軌道距離月面200公里左右，近月制動時段長達1天。
四是環月飛行階段。嫦娥五號在環月飛行軌道中行進到動力下降初始點，並在該階段完成軌道返回組合體和著陸上升組合體的分離，著陸上升組合體分離後要進行降軌、變軌，軌道返回組合體將繼續環月飛行，等待上升器的到來。
五是著陸下降階段。嫦娥五號著陸上升組合體將從下降初始點開始進行月面軟著陸，並經過主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等多個階段，尋找合適的月面完成軟著陸，整個著陸下降的過程將維持15分鐘左右。
六是月面工作階段。嫦娥五號著陸上升組合體將在月面停留約2天，完成設定任務。通過有效載荷設備完成月面科學探測，通過採樣封裝設備完成月壤的鑽取、表取以及封裝。月面工作的時間非常緊張，僅有2天的時間，與此同時，著陸上升組合體與軌道返回組合體必須同時進行下一個階段的準備工作，為月球軌道交會對接和样品的轉移做好萬全的準備。
七是月面上升階段。上升器將經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段，進入到相應的環月飛行軌道，此次月面發射的窗口期很短，上升器和軌道返回組合體要精准考慮測控需求、光照需求以及姿態控制要求，以確保交會對接的順利完成。
八是交會對接與樣品轉移階段。從上升器進入環月飛行軌道開始，通過遠程導引和近程導引技術，上升器與軌道返回組合體逐步完成交會對接，上升器中存放的月球樣品通過軌道器轉移到返回器中。
九是環月等待階段。嫦娥五號軌道返回組合體從對接艙分離並進入月地入射點，在環月等待段飛行過程中，軌道返回組合體進行1次軌道維持，等待月地入射窗口的到來，全力以赴做好返回地球的準備。
十是月地轉移階段。嫦娥五號軌道返回組合體帶著月球採樣產品從月球滿載而歸，經歷多次中途修正之後，在距離地球5000公里高度處，實現軌道器和返回器的分離，返回器即將重新迎入地球的懷抱。
十一是再入回收階段。嫦娥五號返回器與軌道器分離後，軌道器進行規避機動，返回器則要經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段完成最後的降落。返回器首先以第二宇宙速度沖向地球，在進入地球大氣後，通過半彈道跳躍式再入返回技術重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進行降落，最終返回器打開降落傘，平穩安全地降落在預定地點。
嫦娥五號大事記：
2011年1月，國務院正式批復立項，嫦娥五號探測器啟動研製工作。
2012年12月，完成探測器系統方案階段研製總結評審，轉入初樣研製階段。
2015年12月，完成探測器系統初樣研製總結及正樣設計評審，轉入正樣研製階段。
2020年7月，探測器空運抵達海南文昌航天發射場，此後開展了將近5個月的發射場工作。
2020年11月24日，嫦娥五號發射。
（來源：科技日報）
