推迟发射三年，嫦娥五号究竟经历了什么？ | 科技袁人

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导读


2020年11月24日，嫦娥五号成功发射，袁岚峰和中科院国家空间科学中心研究员周炳红、科学史评话主播吴京平做了一场直播。
这期视频是录播的第一集，主要解答了四个问题：1、嫦娥五号为什么凌晨发射？2、为什么嫦娥五号登月要在白天？3、嫦娥五号为什么推迟了发射？4、嫦娥五号将如何返回地球？

视频链接：

西瓜视频：

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本视频发布于2020年12月2日，播放量已超百万

精彩呈现：

袁：欢迎来到我们的直播间，我是科技袁人袁岚峰。我是中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的副研究员，我也是西瓜视频的创作人，我在西瓜视频的帐号叫做科技袁人袁岚峰。今天欢迎大家来到我们的这个嫦娥五号直播，我也非常高兴地介绍我的两位朋友，非常专业的科技人士：我的科大师弟，中国科学院国家空间科学中心的研究员周炳红博士，周老师，非常感谢您来到我们现场。

周：大家好。

袁：另外一位是著名的科普作家，《科学史评话》的作者吴京平老师。

吴：耶

袁：也非常高兴再次见到吴老师。

首先就是，大家都非常高兴，今天凌晨的时候（11月24日）我们的嫦娥五号发射是圆满成功了！我们现在先讨论第一个问题吧：它为什么会在凌晨发射？

周：我今天凌晨在现场嘉宾位置观看这个发射，有很多嘉宾在那儿观看，所以我是拎了一个麦克风，像小偷一样走到那个广场上给大家，像推销那个狗皮膏药一样给大家解说。开个玩笑。

袁：凌晨的时候你已经解说过一次了？

周：对 我解说过一次了，今天有点疲惫。

然后为什么它的这个发射窗口要选择在凌晨？

其实最开始一个问题就是为什么要有窗口，其实主要的原因有两方面：一方面是这个月球在转，还有一方面是这个地球在自转。也就是说，因为这个地球转动和月球运动之间它就有个相位，就是我们去的时候，我们火箭飞行的路径基本上是比较固定的，表面上看起来就是一个8字一样地从地球上滑过去，然后一个抛物线再到月球那边又一个抛物线这样连成一个8字，一个S型过去。这个S型是比较固定的，那么就有两个相位就决定了它的窗口。

第一个相位就是月球的相对于地球的相位，那么月球我们知道，它是27天-28天左右转一圈，也就是说它每天要转大概是12度，如果是转了三天以后，它就转了36度，我们这个S型就摆不过去了，摆不过去了以后那会怎么样呢？也就是说，我们每个月发射窗口对于月球的相位来说只有三天左右，也就是我们连着只有三天的窗口。这是第一个由月相决定。

第二个，就是我们为了利用文昌的地球自转的这个力量，就是它要甩出去，要沿着这个地球的切面甩出去。那么要在合适的位置甩出去才能充分地利用地球自转的能量，也就是优化这个发射、优化它的运载能力。那么地球呢也是在自转的，地球自转一个小时就要转个15度左右。刚才不是说月球如果偏了30多度它就没法发射了，地球也是一样，所以你地球如果转了两个小时那我们（月球）就转了30度，那个月球的相位也就错开了，这个运载能力损失太大，所以就不能过去了。所以对于地球自转来说我们的窗口就是用小时来记的，当然更具体的工程上来计算，最后咱们国家公布的是说，每次发射的窗口大概只有一个小时左右，然后每天都会有一次，连续会有那么三天左右都有窗口，一个月里面。

所以最主要的原因就是地球自转和月球围着地球的公转这个相位位置关系决定了我们有一个具体的发射窗口。

袁：我看是不是可以这样理解，就是这个所谓时间窗口它主要目的就是为了节约燃料，是吧？你如果不在这个时间窗口，实际上照样是可以去的，只不过就是要多耗燃料。

周：没错，拿回来的样品就会少很多了

袁：是的。然后呢，首先您说到了月球的窗口。因为月球它自转的周期是27、28天，实际上刚好就是地球走了一个月是吧。所以就会导致一个后果就是月球总是同一面对着地球的，我们永远只能看到月球的一面，而不是另外一面。这是因为月球被地球潮汐锁定了，是这样吗？

周：是这样的。

吴：为什么选在11月份，而不是提前几个月？

周：11月份这是由整个任务的工程时间安排，它上个月可能有别的任务了。但是这个总体设计队伍基本上是同一支队伍，这是一个原因。

还有一个原因就是选择这个凌晨发射也是有好处的。凌晨发射有个什么好处呢？就是我们的火箭飞上去以后，马上它是有太阳照着的我们地球，地面上的监测设备就能很清晰地看到。我觉得这也是我们选择这个月的原因。如果在下一个月可能这个窗口就不是在凌晨了，如果是在12点那就不好，上面也是，你飞上去以后也是暗的。也就是这个测控条件就决定了它选择哪一个月最好。

吴：那是不是还要考虑登月着陆的地点正好是白天，还不能是月亮上的晚上？

周：是这样的，我们这个着陆地点也决定了，我们着陆地点是希望它着陆的那个地方我们开始工作，也就是大概是7天以后，开始工作那个时间，在月球上，在它当地是正午是比较合适的，那样太阳照着就比较暖和，比较暖和的话，那你要去钻头要去采样的话你需要消耗的功率就更小。

那么这个为什么会出现这个约束呢？

就是因为这个嫦娥五号跟嫦娥四号飞行器不一样。嫦娥四号是带了一个核裂变的能源，所以它到晚上它都可以，它的能源工作时间特长。这次为了减轻整个飞行器的重量，它就没有带那个核能源，它是靠自己的电池和太阳能，这样的话就决定了到达那边也有一个最优的窗口。应该是这些，刚才说的这几个约束条件共同决定了可能是这个月就属于一个最优的窗口，而且是这一天。

吴：也就是说它最好是登月，着陆那个地点，刚好是从黎明之中过来，我们的嫦娥探测器就到了月球附近，然后开始绕着月球转，然后这样的话就有长达14天的，应该是半个月的时间吧可以供我们来选择到底什么时候下去。

周：没错 是这样的，一般最优的下去的时间点就是在它当地的正午下去。

吴：那么实际上也就是说还有大概是有7天左右的这种打前站的时间是吧？

周：是的，是这样的。

袁：刚才周老师说到月球的正午，我想这是需要提醒观众一下，就是我们说的是月球的正午，因为月球它也有月昼和月夜，但是它的一个月昼月夜是14天左右。

它不是地球的一天，所以这也就是为什么月夜对我们来说更麻烦，因为它会有长达14天的时间见不到太阳。

一个太冷，而且你也没有能量来源。我们现在用的是太阳能电池嘛，你又没有太阳，所以在那儿待的时间一长就挂掉了。

刚才周老师他说的让我学到一件事情，就是这个核电池就像我们上次嫦娥四号用的这个核裂变电池，这个电池的好处是它的这个动能特别特别的长，它在那儿可以持续工作好多年。

吴：所以嫦娥四号现在还在工作呢。

袁：没错没错。所以我们会经常看到这样的新闻说那个嫦娥四号带的那个玉兔，那叫玉兔二号是吧？它过一会儿这个月又休眠了，下一个月它又醒来了，又休眠了又醒来……这样的新闻太多了。现在大家已经不当回事了，但是你如果真的去看你就会发现，它不停地在做这个周期，因为它带有非常充分的能源，可能过十几年之后，你发现它还在这儿用，这就是核电池的厉害之处。

但是我们这次嫦娥五号的任务，我们不需要待很长的时间，我们就是在那儿挖一铲子土，嫦娥五号在月球表面只待一天吧，带回来2公斤的样品。

有一点，很多人可能没有意识到，嫦娥五号其实本来应该在嫦娥四号前面的，就是嫦娥五号最初的发射时间实际上应该是2017年，而我们的嫦娥四号最后不是在2018年的年底发射的嘛，然后在2019年的1月初的时候登陆月球。实际上嫦娥五号是在嫦娥四号前面，但是为什么它从2017年调到2020年呢？由周老师来向大家解释一下这个故事。

周：好。为什么这个（发射推迟），最主要的原因就是长征5号运载火箭它在第二次发射，也就是2017年的时候出现了故障，它的发动机在高空的时候发生了爆炸、解体。这样的话，后来就，其实对这个发动机的故障进行了很长时间的排查，它就需要进行我们叫质量归零 技术归零。

当时袁老师还写了一篇很好的文章《善始善终，北斗系统全球组网完成 | 科技袁人LITE》                                       

袁：我那个文章，关键材料就是周老师提供给我的，非常感谢。有兴趣的观众可以去看看那个文章。那个节目实际上是在我们讲中国的北斗3号系统，就是建成一个全球系统，北斗彻底建成一个全球系统那个时间点放出来的。就是我们讲北斗为什么做了那么久，然后这个中间因为它要归零，北斗最后一颗卫星的发射是延迟的。因为它头一天晚上眼看要发射的时候发现有个毛病，就是发现有个裂纹，然后当天晚上就决定要延期了。然后又排查了一个星期，然后把这个毛病排除了以后发射，这中间那个过程就是质量归零。这个质量归零，这是一个管理学上的智慧，这是中国的航天部门提交给ISO，就是世界标准管理组织，它就成为了一个国际标准。是中国非常少有的一个在管理方面确立的国际标准。这是我从周老师学到的非常有意思的一个中国对于世界在管理方面的贡献。

然后，长征5号的技术排查它那个时间特别特别长，花了两年的时间，就是2017年底的时候发现毛病，然后直到2019年的时候，他才真正把这个毛病找出来。中间还曾经有好几次，大家以为已经找到这个毛病，但是你再用更精细的手段去一查，发现还是有毛病。然后大家熬得头发都掉了，但是经过大家不断地加班加点，然后拼搏了将近两年时间，最后终于把这个真正的毛病找出来了。你要归零，把它真正归到零那是非常不容易。

吴：归零是要把整个问题全部复现出来吧，就是说当时出了什么样的故障必须从头到尾来一遍。

袁：归零最重要的一个步骤就是要问题复现，他要告诉你在什么环境下，在这个环境下这个问题就一定会出现。只有当你做到这一步的时候，你才能真正找到原因。不是碰运气，不是说这一次也许就行吧，不能是这样。你必须把那个问题百分之百地找到，然后才能发射。归零分为两部分：技术的归零和管理的归零，这两面都要做到位才行。结果就是在2019年的6月，就是大概折腾了一年半之后终于找到了这个毛病。然后再拼命地去赶这个火箭的进度，然后终于在2019年的12月27日这个长征5号终于能够复飞了。那一天多少人都在那儿揪心呢！

当时大家都非常关心这个，因为长征5号它远远不止是一型火箭，它是我国很长一段时间内所有的这些重型的任务唯一的一个运载器，所以大家全都盯着它了。幸好那一次复飞终于成功了，所以很多人说这叫“一箭定乾坤”。

然后它复飞之后，然后下一次成功的任务就是在今年7月23号的时候发射的那个火星探测器——天问一号。

那个也是相当的成功，现在我们这个天问1号它正在奔往火星的途中，它大概已经走了有3亿公里了。但是这个总的旅途有9亿公里，所以大概才过了三分之一，它已经做了有这么四、五次姿势调整了，大概会在明年的2月份会到达火星轨道。所以我们现在也在非常有兴趣地去看这个。

吴：大概是在除夕晚上好像是。

袁：如果真是在那个时候到的话，那真是一个最有意思的新闻。

吴：好像是在除夕到，最近不是天问还拍了两个自拍嘛。扔了两个相机出去。

袁：是。天问一号那个自拍，那个它费的主要是相机，一次性的扔了就完了，用完就把相机扔了，这个实在是太浪费了。我也问过周老师、吴老师，我说怎么自拍，回答说好像是拍一次就扔一个相机。你为什么不能是多拿几个相机，然后用人工智能来组合一个。听说像美国的有些像月球车它就是这样的，或者火星车，它就是多拿几个镜头，然后拿人工智能、用软件来合成一个，那就不用拍一个扔一个了。

吴：它没有办法，因为要自拍的话它必须离开自己一段距离，它扔到旁边去，然后这时候扔出去以后它就拿不回来了，除非拿个绳子拽着。

袁：为什么不这样做呢

吴：是有点舍不得，不过一次性的相机也还好了

袁：那个也是带了不少质量，对于这种航空发射任务，每一克的质量都是非常宝贵的但是我们这次特别牛的。就是一次发了8.2吨的探测器，这是前所未有的一个巨型的探测器。

吴：对，它这个探测器还比较重。

周：而且这次它是准秒发射，它跟预计的第一个时间点就是预计是4点30分12秒发射，它真的是在那个时间就起飞了、发射了。

袁：那以前难道不是吗？

周：以前会经常推迟个几分钟、推迟个半小时，那都很常见。

袁：OK。

吴：还有好像我们是倒计时的时候，最后到零了以后才正式开始点火。然后呢，你等这个点火以后把这个火箭推起来还要花点时间。美国人好像不是这么干的，美国人是提前把火点开了，然后摁住它，不让它跑，然后等到一直到计时到零，一到零，一撒手，它直接就开始往上窜。它这个倒计时跟倒计时还不一样。

袁：他要摁住多长时间?

吴：反正就是，好像意思就是最大功率嘛，就是你一步窜出去不就完了嘛。所以就是说没有到倒计时为零的时候美国火箭就开始冒烟了，我们一直到倒计时到零才开始冒烟。

袁：实际上这个火箭刚开始上升的时候，非常非常慢。我最近刚刚看吴季老师一本书，里面讲的几乎全是他的工程构想，那些工程都是现在技术基本上可以达到的。然后那里面他就描写一个火箭方案，就是说这个火箭刚开始发射的时候非常非常慢，你会很担心它会掉下来但实际上很稳，一切都在控制之中。

 下一个问题是，可能很多人也不知道，这个嫦娥五号，我们在之前就做过一次预演了，它叫做探路者 T-1，这个是在2014年发射的。2014年那一次这个探路者到底是去干什么的呢？我们现在跟那时候相比技术上有了什么样的变化呢？周老师来给我们讲讲。

周：那次其实最主要的一个测试目标就是因为那个探路者，也就是这次嫦娥五号，它还是要从月球回来。它回来的速度跟我们以前神舟飞船回来的速度是不一样的，它是接近于第二宇宙速度，也就是接近于11公里每秒的速度返回。原来神舟飞船是接近于7.5公里每秒的速度返回。所以它的速度更高的话会导致一个问题就是因为它的热流密度，就是单位面积上的热流是跟速度的立方成正比的，所以它的热流密度更大。那么它的热负荷怎么解决这个高温烧蚀的问题，它就要进行一个实验的验证。

那么刚好那一次，它就有个搭载发射的机会，它就验证了探路者1号它进来的时候跟神舟飞船进入大气层的模式是不一样的——它是用打水漂的方式进入的。跟阿波罗飞船也差不多：它先从外太空回来以后进入大气层到60、70公里高的地方会再滑出去、飘出去，然后再飘出去，离开大气层，然后到几百公里以后再进来，第二次进来。

这样第二次进入的时候，这两次进入就延长了探路者1号在大气层中滑行的时间，就是摩擦作用的时间，总的热流增加了但是时间延长了，它整个滑行的距离将近2万公里，这样的话整个的在单位时间中热流密度又变得跟我们国家的神舟飞船，其实把它的热流密度就降下来了，把这个探路者1号这样通过这个打水漂的方式，把它技术难度就降低了。但是轨道的控制要求就增加了，等于把热流密度的这个难题其实是降低了一些，所以它是试验了一个新技术，跟我们国家原来神舟飞船相比是采用了一个新技术。

袁：实际上是说以前我们那飞船回来的时候，那个速度是比较慢的，它那个是接近于第一宇宙速度，所以它一次进入大气层，然后那个摩擦，它就下来，就没事儿了。但是我们这次回来，就是嫦娥五号回来那个速度太快了，那是接近第二宇宙速度，然后你如果就是让它硬着头皮往里钻，这倒也可以，但是带来的这个热量损耗非常非常大。

你要不有两种选择：一个就是多带一些烧蚀材料让它尽情地烧，但是这样的话会增加重量，有可能直接就烧穿了。另外一个办法，这个比较巧妙的办法就是打水漂，就是两次再入，第一次进来弹一下又弹出去，又弹到太空，然后第二次再入，两次回到大气层。有很多人把这个称为钱学森弹道是吧？

吴：桑格尔吧，桑格尔弹道是吧，钱学森好像是拉起，拉起以后不出去。

袁：周老师，这个弹道有什么专业名词吗？

周：这是语言学的问题吧？反正有两种弹道，至于哪个名字一般人也记不住。

袁：总之这是一个非常重要的一个空气动力学上面的一个办法。你如果不用这一招的话很多事情也搞不定的。就像当年阿波罗载人飞船那一回，它后来是不是也是用的这种办法？

周：是。阿波罗飞船用的也是这个，探路者1号与嫦娥五号一样的办法。

袁：而且当时还是手动操纵的，当时自动达不到这种程度。所以像尼尔·阿姆斯特朗这些人他确实大智大勇，发挥了极高的主观能动性，以一个非常精确的角度操纵了那个再入大气层的那个角度。那个角度如果稍微错一点，弹出去他就回不来了，那个真是要了命了。

吴：手动挡就不如自动挡好开嘛。它整个你想，它从第一次进来到最后落地的话要2万公里，等于是包了半个地球。这玩意儿测控起来从第一次进来的地方跟最后落地的地方差太远了，你没有测控系统的话，这个搞不定的。

袁：幸好是阿姆斯特朗当时操纵得非常准，他完全控制在一度之内。这个确实落到了预想的那个地方，就落到了大海上，最后航空母舰救起来了。

吴：他们还好，那个阿波罗13号回来的时候那得费多少劲，那是好多仪器都没有电了。

袁：是，阿波罗13号是一个灾难。那个是阿波罗计划当中唯一一次想登月，但是没成功，但是神奇的是他们居然飞回来了。

吴：人家居然就能把丧事当喜事办了。

袁：而且那些人确实环绕了月球是吧，他直接回是回不来的。

吴：眼巴巴地看着下不去，你说这个心情。

袁：它只能是兜月球一圈然后再回来。

吴：对，兜一圈。

袁：这个感觉真是非常的神奇。所以探路者（卫星）它已经，它其实就是为了实践这个两次再入地球打水漂，然后让我们能够安全地回来。

所以现在我们这个嫦娥五号实际上你会发现，嫦娥五号的每一个任务以前都已经演练过，而且它这个任务还是分解成很多个子任务，然后对每一个任务我们以前基本上都演练过。所以这次虽然执行一个前所未有复杂的，但是总体上我们还是有相当大的信心的。就是因为我们并不像某些国家那样步子跨得太大，我们这每做一件事情都还是要经过充分的验证。

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作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

背景简介：视频发布于2020年12月2日《推迟发射三年，嫦娥五号究竟经历了什么？》（https://www.ixigua.com/6901610971509293582/）。

责任编辑：祝阳