2020年11月24日4时30分我国在文昌航天发射场用长征五号遥五运载火箭成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道开启我国首次地外天体采样返回之旅
这意味着将历时23天的嫦娥五号任务已由长征五号运载火箭跑出举世瞩目的精彩第一棒
执行此次发射任务的长征五号运载火箭由中国航天科技集团有限公司一院抓总研制，地球同步转移轨道运载能力达14吨级，运载能力位居世界现役火箭前列，足以将目前人类研制的最重的无人探测器之一——嫦娥五号直接送入预定地月转移轨道。
这是该型火箭的第二次应用性飞行任务，它此前的一位“乘客”是7月23日发射的天问一号火星探测器。
▲科普小视频 | 中国探月之路（视频来源：航天五院）与发射火星探测器任务相比，受本年度地月关系等因素所限，此次探月任务的发射窗口更显珍贵。对于火星探测任务，今年的窗口大约是14天，每天30分钟；而嫦娥五号任务在今年的窗口总共只有3天，11月两天，12月一天，每天仅50分钟。
为此，火箭研制队伍采用了多轨道奔月发射方案，针对50分钟的发射窗口设计了5条发射轨道，提高了发射的概率和可靠性。
嫦娥五号探测器由航天科技集团五院抓总研制，八院负责轨道器相关研制工作。该探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器4器组成，分为15个分系统，是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统之一。
虽然“重”，但嫦娥五号却很灵巧，它要在太空中独自完成一系列“高难度动作”。它的核心使命是：在月面工作约2天的时间里采集约2公斤月壤样品并带回地球。
按照计划，嫦娥五号月球探测器将经过发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降等阶段，在月球风暴洋东北部地区着陆。
在完成月面工作后，经历月面上升、月球轨道交会对接与样品转移、环月等待、月地转移和再入返回等飞行阶段后，嫦娥五号返回器将最终着陆在内蒙古四子王旗。
任务圆满完成后，我国将成为世界上继美、苏之后第三个实现月球采样返回的国家。▲科普小视频 | 国外探月发展史 （视频来源：航天五院）2004年，我国探月工程立项实施，确定了“绕、落、回”三步走战略规划。嫦娥一号到嫦娥四号任务的成功实施，已圆满完成三步走战略的前两步。嫦娥五号将实现探月工程第三步战略目标，为后续月球及行星探测等任务奠定人才、技术、科学、工程基础。
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此次长五遥五送“嫦五”
长征五号运载火箭是我国新一代大推力低温液体运载火箭，全长近57米，起飞重量约870吨，起飞推力超过1000吨。长征五号运载火箭采用“两级半”构型，芯一级、芯二级直径为5米，芯一级捆绑四个直径为3.35米的助推器，芯级和助推器全部采用液氢、液氧、煤油等无毒无污染推进剂；地球同步转移轨道（GTO）运载能力可达14吨，是目前我国运载能力最大的火箭。由于芯级直径大于其他长征火箭，长征五号运载火箭被亲切的称为“胖五”，因为采用了液氢、液氧等低温推进剂，长征五号运载火箭也获得了“冰箭”的称呼。
长征五号遥五运载火箭发射的“嫦娥五号”月球探测器重达8.2吨，是我国目前发射的重量最重的探测器，也是今年中国航天发射的最重的载荷，“嫦娥五号”探测器需要进入近地点200公里、远地点41万公里的地月转移轨道，对运载火箭的能力提出了很高的要求。在长征火箭家族中，只有长征五号运载火箭可以将这么重的载荷直接送入地月转移轨道，这是对运载火箭能力的集中检验，也是对中国航天能力的最佳注解。这是一组关于长征五号遥五火箭发射窗口的数字，由于地月相对位置以及轨道设计等因素的限制，此次发射是一次接近于“零窗口”的发射，11月24日的火箭发射窗口只有50分钟。为了确保火箭在窗口前沿准时发射，研制团队采取了变射向、变滑行时间的多轨道奔月发射方案，应用“窄窗口多轨道”技术，针对50分钟的发射窗口分别设计了5条发射轨道，在发射窗口期内，可根据发射时间通过软件自动选择发射轨道。“嫦娥五号”月球探测器重达8.2吨，是我国目前发射的重量最重的探测器。今年7月23日，长征五号遥四火箭成功发射的“天问一号”火星探测器重约5吨；“嫦娥三号”和“嫦娥四号”月球探测的重量都是接近4吨左右。目前，在长征火箭家族中，只有长征五号火箭的运载能力可以将8吨的载荷直接送入地月转移轨道。这是一组关于地月转移轨道的数字。长征五号遥五火箭将“嫦娥五号”月球探测器直接送入近地点高度约200公里、远地点高度约410000公里的地月转移轨道。地月转移轨道是一个大椭圆轨道，探测器与火箭分离进入这一轨道后，探不需要自身加速，只要沿着地月转移轨道飞行，就可以到达近月点附近，探测器在近月点附近实施制动减速后，进入环绕月球的轨道，就可以进行后续下降、上升、返回等一系列工作。这是一组关于火箭飞行的数字。长征五号遥五火箭需要经过起飞、助推器分离、整流罩分离、一二级分离、二级二次启动、末速修正、器箭分离等10个飞行阶段；从火箭点火到与探测器分离的过程中，遥五火箭需要执行70个时序，每个时序都包括若干功能动作，比如分离机构解锁等，每个动作还涉及到多项关键产品和关键参数，比如控制指令、解锁装置等等。在经过2200余秒的飞行后，长征五号遥五火箭将把嫦娥五号送入预定轨道。这是一组关于长征五号遥五火箭质量管控的数字。研制团队从“设计要求、技术状态、设计特性、产品过程控制、产品验收、质量问题归零及举一反三、测试方法和测试覆盖性有效性、借用产品的有效性、全级次供应商、单点失效环节、软件质量、残余风险”等12个方面对长征五号遥五火箭产品进行了充分的分析评估和检查确认，实施了“4+23”的质量管控措施，对火箭发动机等4个专题开展了专项工作，在产品制造、验收及总装测试等各个环节采取23项质量控制措施，做到了产品全面覆盖、责任压准压实、质量受控可靠。
作为此次任务的核心关键之一，月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段，嫦娥“五姑娘”将在月面选定区域着陆，并使出浑身解数采集月壤，实现我国首次月面自动采样。为此，来自航天科技集团五院的设计师们采用表钻结合，多点采样的方式，精心设计了两种“挖土”模式：钻取和表取。当着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面，嫦娥五号就开始了为期2天的月面工作。她随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”，将科学分工，精密配合，采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等各种方式，采集约2kg月壤并进行密封封装，经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将月球样品安全送至地球家园。当嫦娥“五姑娘”完成月面工作后，她就要踏上“回娘家”的旅程。俗话说万事开头难，想回娘家可不容易，第一步能否“迈好”至关重要，这就是涉及到突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。顺利完成月壤采样封装后，上升器就要准备月面点火起飞了，这是一个高难度科目。众所周知，运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的，点火起飞位置也经过了精确测算，飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了，它没有一马平川的起飞地，更没有成熟完备的发射塔架，着陆器就相当于上升器的发射塔架，托举着“五姑娘”回家。而月球表面环境复杂，着陆器不一定是四平八稳的状态，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。这就给起飞带来了很大的难度。此外，还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞的时候，还无法像运载火箭一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认，必须依靠航天器“自力更生”，实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升，航天科技集团五院嫦娥研制团队进行了大量的试验验证，并建立了一整套环环相扣的系统保证任务，为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后，嫦娥“五姑娘”一路飞奔而去。但是仅仅依靠上升器是不可能实现返回地球的，它需要飞到月球轨道上，在这里与轨返组合体交会对接，把采集到的月壤转移到返回器。经过几十年的实践探索，我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，但是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接不仅在我国尚属首次，而且也是人类航天史上的第一次。人类此前三次无人月球采样任务，由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案；而嫦娥五号则是采用具有世界先进水平的月球轨道交会对接技术，这为航天科技集团五院嫦娥五号研制团队带来了极大的挑战。为此，从上升器进入环月飞行轨道开始，一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止，设计师们为嫦娥五姑娘精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作，助推嫦娥五号实现完美对接。当返回器带着月壤，从38万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来，这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度，而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3公里的差距，因为，就好像扔石头，同样一块石头，从一层楼扔下来的速度和从十几层楼仍下来速度肯定不一样。同理，航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回必然不同，且差距巨大。一旦速度过猛，返回器一头撞向地球，后果不堪设想，必须让返回器减速飞行。为此，航天科技集团五院嫦娥五号探测器的设计师们创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案，就像在太空打水漂一样，整个再入返回过程就是让返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面。整个过程环环相扣，确保嫦娥五号能安全顺利地降落在四子王旗着陆场。与几位姐姐不一样，嫦娥五号要完成探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走的最后一步。嫦娥五号的成功实施，将实现我国首次在地外天体无人采样返回，圆满完成探月工程三步走的总体规划目标，推动我国深空探测领域的科技进步，促进我国空间科学、空间技术跨越发展，可谓使命非凡。与嫦娥一号、二号、三号、四号相比，嫦娥五号探测器的技术跨度大、结构也更为复杂，它是由轨道器、着陆器、上升器、返回器4器组成。这4器每一个都是单独的个体，此外他们还能组合在一起，比如着陆器和上升器“抱”在一起，就组合成了“着上组合体”，而轨道器和返回器组合而成我们叫它“轨返组合体”，此外，4器“串”在一起，就构成了一个完整的探测器。而嫦娥“大姐”和“二姐”分别是一颗单独的卫星，“三姐”和“四姐”是由着陆器和月球车“两器”组成。所以说，嫦娥“五姑娘”是家族里结构最复杂的探测器。嫦娥五号任务的目的是实现月面自动采样返回，开展月球样品地面分析研究。任务期间，嫦娥五号探测器将重点实现三大工程目标，即：一是要突破一系列关键技术，提升我国航天技术水平；二是要实现首次地外天体自动采样返回，推进我国科学技术重大跨越；三是要完善探月工程体系，为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。此外，嫦娥五号探测器还将开展一系列科学探测，如着陆区的现场调查和分析，着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；月球样品的分析与研究，对月球样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究等。探月工程从立项之初，就设计了“绕、落、回”三步走战略，这就意味着嫦娥家族众姐妹将拥有不同的命运和归宿。2007年10月24日，我国成功发射嫦娥一号卫星，2009年3月1日，嫦娥“大姑娘”按预定计划受控撞月，为探月工程一期——“绕月探测”任务画上了一个圆满的句号。2010年10月1日，嫦娥二号卫星发射成功，2012年12月13日，嫦娥二号卫星与图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”，首次实现我国对小行星的飞跃探测，嫦娥“二姑娘”成为我国第一个行星际探测器。2013年12月14日，嫦娥三号探测器着陆月面，次日，着陆器和巡视器互拍成像，嫦娥三号任务圆满成功，实现了我国首次地外天体软着陆和巡视探测。嫦娥“三姑娘”也永久的留在了月面，遥望着地球家园。2019年1月3日，嫦娥四号探测器成功登陆月背，成为人类历史上首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，至今状态良好，未来，嫦娥“四姑娘”还将继续月球背面的探索之旅。月球家族中年长的几位姐姐有一个的共同点，就是谁也不能再次回到娘家了。而嫦娥五号比几位姐姐幸福多了，因为她从“月宫”潇洒走一回后，还能捎点“特产”——月壤，再次回到地球母亲的怀抱。
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