◎本刊綜合

嫦娥奔月不止是神話傳說，繼“三姐”“四姐”后，2020年11月24日4時(shí)30分，嫦娥“五姑娘”搭乘長征五號(hào)遙五火箭發(fā)射升空，又一次奔赴月球，落在月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，之后成功帶回月球的“土特產(chǎn)”，實(shí)現(xiàn)我國首次月面采樣返回。

這可不是一件容易的事兒，需闖過重重關(guān)卡才能完成任務(wù)。從地面發(fā)射升空到落月“挖土”，從月面起飛到精確入軌，從月球軌道無人交會(huì)對(duì)接到返回地球……每個(gè)環(huán)節(jié)都必須保證無誤，每一次操作都必須精準(zhǔn)到位。

那么，嫦娥五號(hào)探測(cè)器（下稱“嫦娥五號(hào)”）為什么要千里迢迢去月球“挖土”？為了捧回那抔土，她到底有多拼？有哪些厲害的裝備助她闖關(guān)成功？我們一起來深入地了解一下吧。

嫦娥“五姑娘”長啥樣

好似糖葫蘆

“嫦娥五號(hào)”是我國目前發(fā)射的最重的探測(cè)器，重達(dá)8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器和上升器“串聯(lián)”而成，猶如一串糖葫蘆。

軌道器、返回器、著陸器和上升器各自獨(dú)立，又常?！氨А痹谝黄鸾M成不同的“組合”，比如著上組合體、軌返組合體、四器組合體等。

“嫦娥五號(hào)”的四部分（圖/國家航天局）

或許你會(huì)問，軌道器、返回器、著陸器和上升器這重要的“四器”是用來干什么的？

顧名思義，上升器負(fù)責(zé)攜帶月球樣品從月球表面起飛，然后進(jìn)入環(huán)月軌道，與軌返組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，并把樣品轉(zhuǎn)移到返回器里。著陸器攜帶上升器在月球表面著陸，之后最重要的工作是完成月球表面采樣及封裝。返回器的功能是攜帶月球樣品返回地球。軌道器猶如“太空郵差”，在地月之間構(gòu)建一條太空“物流”通道，既承擔(dān)地月往返運(yùn)輸任務(wù)，將“乘客”安全送往目的地，又在太空中穩(wěn)妥地完成月球樣品的“接收”、“裝箱”工作，將珍貴的樣品送回地球。

為了完成科學(xué)任務(wù)，“嫦娥五號(hào)”上還裝載了多種有效載荷，包括全景相機(jī)、全景相機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)、降落相機(jī)、月球光譜分析儀、月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀、有效載荷數(shù)據(jù)處理器等。

身穿“防熱拼接裝”

返回地球時(shí)，“嫦娥五號(hào)”以接近每秒11.2千米的第二宇宙速度進(jìn)入大氣層，高速摩擦使表面溫度超過3000℃，如此高的溫度會(huì)嚴(yán)重影響月球樣品，所以科學(xué)家給嫦娥五號(hào)返回器穿上了“防熱裝”——嫦娥五號(hào)返回器采用防熱材料。

防熱材料需要在耐高溫的同時(shí)發(fā)揮其結(jié)構(gòu)承載性能，是嫦娥五號(hào)返回器的“骨骼”。由于各部位受熱情況不同，嫦娥五號(hào)返回器在大底迎風(fēng)面、大底背風(fēng)面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風(fēng)面、側(cè)壁背風(fēng)面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼這7個(gè)部位分別采用了7種不同成分的防熱燒蝕材料，材料體系以碳為主。這樣看來，嫦娥五號(hào)返回器的“防熱裝”還是時(shí)尚的“拼接款”呢。

知識(shí)鏈接：

熟悉的“陌生人”——月球

在人們眼中，月球就像一個(gè)恬靜的姑娘。她的自轉(zhuǎn)周期為655.2個(gè)小時(shí)，與繞地球的公轉(zhuǎn)周期相同，約等于地球上的27.3天。而地球自轉(zhuǎn)一圈只要24個(gè)小時(shí)，和月球相比，地球簡直像個(gè)旋風(fēng)小子。

月球還是一個(gè)低調(diào)的姑娘。作為太陽系中第五大衛(wèi)星，她本身不發(fā)光，我們?cè)诘厍蛏峡吹降脑鹿鈦碜蕴柕姆瓷涔狻?/p>

由于月球只能俘獲微量的太陽風(fēng)氣體，所以幾乎沒有大氣。缺少大氣的溫度調(diào)節(jié)，月球白天最熱時(shí)溫度可達(dá)127℃，夜間最冷時(shí)溫度可降至-183℃，真是“性格多變”。

月球表面有大大小小的巖石、撞擊坑等，其中雨海是月球表面最大的撞擊盆地之一，遍布年輕的火山巖、巖漿巖，具有獨(dú)特的地質(zhì)背景。月球上還蘊(yùn)藏著大量的自然資源，已知有100多種礦物。

“嫦娥五號(hào)”腳下的月球（圖/國家航天局）

為什么千里迢迢去挖土

從1969年到1976年，6次阿波羅任務(wù)和3次月球號(hào)任務(wù)帶回了月球表面9個(gè)區(qū)域共計(jì)382千克月球巖石和土壤樣品。正是這些珍貴的月球樣品，讓我們能夠真正接觸到有明確產(chǎn)地的月球物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)室里全方位分析研究這些月球物質(zhì)，確定月球上一部分區(qū)域的絕對(duì)年齡——這是月球探測(cè)器遙感探測(cè)和在地球上分析月球隕石所做不到的。

但是，我們僅僅通過這些月球樣品來認(rèn)識(shí)月球，太局限了，我們對(duì)月球的認(rèn)識(shí)不管在空間上還是時(shí)間上都是極其不全面的。

唯一的解決辦法就是重返月球，采集更多來自不同地質(zhì)背景、形成于不同歷史時(shí)期的月球樣品。只有這樣，我們才能更好地了解月球的歷史，比較全面地認(rèn)識(shí)月球，認(rèn)識(shí)地月系統(tǒng)，甚至了解太陽系的過去。這就是“嫦娥五號(hào)”不辭辛苦去月球“挖土”的目的。

“嫦娥五號(hào)”挖土選址在月球正面風(fēng)暴洋的東北角，距離阿波羅任務(wù)和月球號(hào)任務(wù)采樣區(qū)1000千米以上，那里有人類之前未曾找到過的月球“最年輕”的月巖、月壤，它們可能形成于20億年前甚至6億年前。

星際闖關(guān)，關(guān)關(guān)不容易

2次發(fā)射、2次著陸、1次月軌交會(huì)對(duì)接、5次樣品轉(zhuǎn)移、6次分離、“繞月”……23個(gè)日日夜夜里，“嫦娥五號(hào)”闖過一關(guān)又一關(guān)，完美地完成了任務(wù)。

發(fā)射

2020年11月24日 4時(shí)30分，長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空，在破曉中劃出一道金色弧線，經(jīng)過2200多秒的飛行，成功將“嫦娥五號(hào)”送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

● 為什么選在凌晨發(fā)射

長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭在凌晨發(fā)射最有利于奔月軌道的設(shè)計(jì)，滿足地球和月球位置關(guān)系的限制、火箭射向和滑行時(shí)間的約束等各種制約條件。

太陽活動(dòng)對(duì)于“嫦娥五號(hào)”來說是非常麻煩的，長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭飛向宇宙的時(shí)候，地球正好把太陽光遮住，可避免太多太陽輻射對(duì)“嫦娥五號(hào)”產(chǎn)生影響。

另外，凌晨天氣狀況比較穩(wěn)定，云層更少，有利于信號(hào)傳播，方便科研人員控制“嫦娥五號(hào)”。而且，整體環(huán)境亮度比較低，地面的探測(cè)儀可以更好地跟蹤“嫦娥五號(hào)”。

●“胖五”挑戰(zhàn)高難度動(dòng)作

在那飛行的2200多秒里，長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭（又稱“胖五”）在太空完成了高難度動(dòng)作——長時(shí)間滑行。

滑行是指火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，火箭靠慣性向前飛行。這聽上去絲毫不費(fèi)力氣，但實(shí)際上，長時(shí)間滑行對(duì)于一枚火箭特別是一枚零下200多攝氏度的“冰箭”來說，是個(gè)不小的考驗(yàn)。

長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)從一次關(guān)機(jī)到再次點(diǎn)火，間隔約935秒。在這一開一關(guān)之間，長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭要完成箭體姿態(tài)調(diào)整、真空狀態(tài)下推進(jìn)劑沉底、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)二次啟動(dòng)前預(yù)冷等工作，動(dòng)作非常多。另外，滑行時(shí)間長，火箭在空間輻射影響下的環(huán)境變化更加復(fù)雜，低溫推進(jìn)劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷變化。

●“座椅”更大更舒適

“嫦娥五號(hào)”這次奔月乘坐的“座椅”是火箭有效載荷支架，它可不一般，是探月發(fā)射以來最大、最輕的“座椅”。

“座椅”的蒙皮厚度為0.9毫米，支撐框是空心的，采用碳桁條。器箭接口直徑有3米多，比以前的尺寸都大?！白巍眱?nèi)各種設(shè)備的空間也更大，保證了器箭銜接的穩(wěn)定性和可靠性。

近月制動(dòng)

2020年11月28日，“嫦娥五號(hào)”到達(dá)月球附近，在近月點(diǎn)兩次“剎車”，順利進(jìn)入環(huán)月圓軌道。

分離

2020年11月30日，“嫦娥五號(hào)”著上組合體與軌返組合體分離。

落月

2020年12月1日23時(shí)11分，“嫦娥五號(hào)”成功著陸在月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)。這里地勢(shì)平坦，通信條件好，光照和溫度較為理想，之前尚未有人類探測(cè)器造訪過。

●險(xiǎn)！600千米外“全自主跳傘”

在飛行至距月面1.5千米處時(shí)，“嫦娥五號(hào)”利用光學(xué)成像敏感器進(jìn)行粗避障，剔除大型障礙物；當(dāng)距月面僅百米時(shí)，“嫦娥五號(hào)”上的備用激光三維成像敏感器進(jìn)行精確避障，精準(zhǔn)識(shí)別選好落點(diǎn)。

一邊下降一邊避障，待飛到選定著陸點(diǎn)后，“嫦娥五號(hào)”一個(gè)側(cè)身開始垂直下降，并在距離月面較近時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)、自由落體……著陸腿緩沖著陸，完美落月！

●穩(wěn)！“嫦娥五號(hào)”“大腿”顯身手

通俗地說，著陸緩沖機(jī)構(gòu)就是“嫦娥五號(hào)”的“腿”。這4條緩沖、支撐一體化的“腿”可不一般，有著嫦娥三號(hào)探測(cè)器、嫦娥四號(hào)探測(cè)器的完美基因，采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面的問題。

瞧，靠著那4條“腿”，“嫦娥五號(hào)”穩(wěn)穩(wěn)地在月球表面著陸，與月球“擁抱”，不翻倒、不陷落。

自動(dòng)采樣

經(jīng)過約19個(gè)小時(shí)的月面工作，2020年12月2日22時(shí)，“嫦娥五號(hào)”順利完成月球表面自動(dòng)采樣，并按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

●兩種挖土模式

“嫦娥五號(hào)”采用機(jī)械臂表取、鉆具鉆取兩種“挖土”模式，通過深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多樣化自動(dòng)采樣。

●“手臂”指哪挖哪

“嫦娥五號(hào)”的“手臂”集高顏值、高科技于一體，各個(gè)關(guān)節(jié)的力量都來自安裝在關(guān)節(jié)處的電機(jī)。

關(guān)節(jié)臂電機(jī)有兩種，個(gè)頭不大，力氣不小，而且靈活機(jī)動(dòng)，精度可達(dá)1度以內(nèi)，能讓“嫦娥五號(hào)”指哪挖哪。

“嫦娥五號(hào)”在月球表面自動(dòng)采樣(圖/國家航天局)

月面起飛

2020年12月3日，嫦娥五號(hào)上升器月面點(diǎn)火，3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)工作約6分鐘后，順利將攜帶月壤的上升器送入預(yù)定環(huán)月軌道，成功實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體起飛。

嫦娥五號(hào)上升器在月面點(diǎn)火(圖/國家航天局)

國旗有話說

嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體全景相機(jī)拍攝的五星紅旗在月面成功展開的畫面(圖/國家航天局）

在嫦娥五號(hào)上升器點(diǎn)火前，我終于在月球上驚艷亮相——第一次月表動(dòng)態(tài)展示。熾熱的紅、燦爛的黃，我的高光時(shí)刻足以讓全國人民振奮。

我是誰？

我是月球上第一面織物五星紅旗。與嫦娥三號(hào)探測(cè)器、嫦娥四號(hào)探測(cè)器和玉兔月球車上采用噴涂方式的國旗不同，我是一面真正的旗幟。

我長30厘米，高20厘米，僅重11.8克。別看我不大，但本領(lǐng)超強(qiáng)，能應(yīng)對(duì)從-150℃到150℃超高溫、紫外線直射。這得感謝研制我的科研團(tuán)隊(duì)，他們的付出令人感動(dòng)。

在選材上，科研團(tuán)隊(duì)花費(fèi)的時(shí)間就超過了1年。他們挑選出二三十種纖維材料，然后通過一系列物理試驗(yàn)，最終決定采用一種新型復(fù)合材料，既能滿足強(qiáng)度要求，又能滿足染色性能要求，還能保證我卷起時(shí)在正負(fù)150攝氏度溫差環(huán)境下不會(huì)粘連在一起。

我能成功展示，多虧了國旗展示系統(tǒng)。整套系統(tǒng)質(zhì)量只有1千克，采用二級(jí)桿，所有的機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵位置都經(jīng)過了防冷焊處理。

交會(huì)對(duì)接

2020年12月6日，嫦娥五號(hào)上升器與軌返組合體在月球軌道上交會(huì)對(duì)接，并將樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。

●三大神器來幫忙

由中國航天科工集團(tuán)有限公司第二研究院25所研制的嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，作為中遠(yuǎn)距離測(cè)量的唯一手段，成功引導(dǎo)首次月球軌道無人交會(huì)對(duì)接。當(dāng)軌道器、上升器相距約100千米時(shí)，微波雷達(dá)開始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩臺(tái)航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信。兩臺(tái)航天器根據(jù)微波雷達(dá)提供的信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖定上升器。

“嫦娥五號(hào)”采用的對(duì)接機(jī)構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。

連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，具有兩套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4次伸縮可以讓容器移動(dòng)到返回器中。

返回地球

2020年12月17日1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域著陸。

嫦娥五號(hào)返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸（新華社記者連振攝）

●“打水漂”式返回

“打水漂”式返回即半彈道跳躍式再入，嫦娥五號(hào)返回器先高速進(jìn)入地球大氣層，之后與大氣產(chǎn)生相互作用力，像打入水中的小石子一樣彈跳起來，跳出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)后開始滑行下降。然后，返回器第二次進(jìn)入大氣層，實(shí)施二次氣動(dòng)減速，最后返回地面。

為什么返回器要采用這樣的方式返回呢？

嫦娥五號(hào)返回器帶著月壤從月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來，這時(shí)速度接近第二宇宙速度，而從近地軌道返回的航天器速度通常約為每秒7.9千米的第一宇宙速度。這每秒3千米多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號(hào)返回器沖勁過猛，一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想，所以，科研人員決定讓嫦娥五號(hào)返回器借助地球大氣層這個(gè)天然屏障，利用空氣摩擦產(chǎn)生的阻力實(shí)現(xiàn)減速飛行。

特殊的土特殊的用途

“嫦娥五號(hào)”帶回來的1731克月壤如此珍貴，會(huì)被放在哪里呢？

位于北京的中國科學(xué)院國家天文臺(tái)是月球樣品的主要存儲(chǔ)地點(diǎn)，另外，作為容災(zāi)備份，還有一部分儲(chǔ)存在湖南韶山，告慰毛主席“可上九天攬?jiān)隆钡馁碓浮?/p>

或許你們會(huì)問，這些月球樣品是什么樣的，未來有沒有機(jī)會(huì)一睹其風(fēng)采？

當(dāng)然有！“嫦娥五號(hào)”帶回來的月球樣品將用于三類用途：第一類，部分樣品會(huì)入藏國家博物館，向公眾展示，進(jìn)行科普教育；第二類，與世界各國的科學(xué)家共享，也可能有一部分按照國際慣例作為國禮相送；第三類，用于科學(xué)研究，科研人員會(huì)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)月球樣品進(jìn)行長期、系統(tǒng)的研究，包括它的構(gòu)造、物理特性、化學(xué)成分、同位素組成、礦物特點(diǎn)和地質(zhì)演化等，深化人類對(duì)月球起源、演化等方面的認(rèn)識(shí)，這是主要的用途。

首次在月球表面自動(dòng)采樣與封裝，首次從月面點(diǎn)火起飛，首次在月球軌道進(jìn)行無人交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移，首次攜帶樣品以接近第二宇宙速度返回地球……“嫦娥五號(hào)”任務(wù)創(chuàng)造了多個(gè)“中國首次”，中國探月工程“繞、落、回”完美收官。這是結(jié)束，也是新的開始。

星辰征途永無止境，逐夢(mèng)之行永不停歇。未來，中國還將繼續(xù)開展月球探測(cè)，不斷刷新探索宇宙的新高度。