嫦娥五号王者归来，就为取两公斤月球样本？载人雄心毫不掩饰

来源：巅峰高地  作者：巅峰执笔

嫦娥探月工程自2004年正式启动以来取得了嫦娥一号、二号、三号、五号T1、四号共计5次任务的连战连捷，期间还部署了一颗距离地球约45万公里的鹊桥中继通信卫星。连续突破月球环绕探测、月面软着陆探测、月面巡视探测、近第二宇宙速度月地返回、月背探测等一系列世界级月球探测工程难题，不论是月球探测器发射数量亦或者质量中国都毫无疑问是人类21世纪的探月先锋力量。

登陆月球的嫦娥三号着陆器

嫦娥探月从一开始就确立了“绕、落、回”三步走发展规划，工程立项仅三年嫦娥一号即实现绕月探测，早在嫦娥三号完成落月任务前两年旨在完成第三步“回”任务的嫦娥五号就已于2011年5月正式立项。

嫦娥五号预定发射日期一变再变，从最早计划的2017年年底，再到2019年，直至2020年才最终一锤定音，在这一拖再拖的任务时间变更中我们深刻领会到什么叫做“运载火箭运力有多大，航天舞台就有多大。”。

嫦娥五号发射任务数度推迟

虽然嫦娥五号核心任务是“采样返回”，但实质却是“绕、落、回”三大任务缺一不可，是对整个嫦娥探月工程启动实施16年来的一次系统大考。由于一次发射需要承担多项工程任务导致探测器发射质量急剧增大至8.2吨，对比嫦娥四号不到4吨的发射质量翻了一番还有盈余。

嫦娥五号飞船的四大舱段

我国具备地月转移轨道8吨级发射能力的火箭唯有长征五号，它可以将9吨左右载荷直送地月转移轨道。换句话说如果没有长征五号，那么嫦娥五号也就无从谈起。

长征五号作为一款新研火箭需要通过实际发射验证才能承运高价值的嫦娥五号，按照计划2017年7月2日长征五号遥二火箭完成发射经过可靠性验证后，当年11月长征五号就将执行嫦娥五号发射任务，但遥二任务的失利导致后续发射计划推迟。

长征五号奔月轨道运力居世界第二

遥二任务后长征五号团队就开始了漫长的归零工作，嫦娥五号也只得等待长征五号遥三火箭复飞成功后才能实施发射。

2018年长征五号团队完成了遥二火箭问题定位，准备当年年底前实施遥三火箭发射，然而YF-77氢氧发动机地面试车时一位年轻的技术员发现了细微裂纹问题，遥三任务再度推迟，直至2019年YF-77发动机完成可靠性增长试车后遥三火箭才推向发射塔架，此时已是2019年年底。

YF-77氢氧发动机可靠性增长试车

令人欣慰的是，在落实数百项改进措施之后长征五号遥三发射任务收获了大满贯，实践-20号卫星不仅精确入轨，通过打远地点6.8万公里的超地球同步轨道也同步验证了奔月轨道发射能力。

长征五号遥三火箭胜利复飞

今年5月5日，长征五号B遥一火箭的再度成功则进一步验证了产品技术的高可靠性，为嫦娥五号时隔三年的王者归来奠定了坚实基础。

长征五号B遥一运载火箭

拥有8.2吨发射质量的嫦娥五号不仅是我国最大吨位无人深空探测飞船，更是全球最大吨位无人深空探测飞船。

嫦娥五号不仅体格大而且极具内涵，要在22至23天任务周期里连续完成11个高难度科目：

动作1：2020年11月24日凌晨某一时刻，文昌发射场使用长征五号遥五运载火箭搭载嫦娥五号飞船发射入轨。

以YF-75D为动力的长征五号氢氧二级

可不要小看这一环节，当下放眼全球能将8吨级飞船直送地月转移轨道的玩家有且仅有两个，一个是大洋彼岸，另一个就是我们。

具体而言就是三型火箭，分别是重型猎鹰、德尔塔-4、长征五号，其中长征五号9吨左右的地月转移轨道运力优于德尔塔-4，这主要得益于采用先进膨胀循环系统的第三代高空氢氧发动机YF-75D的应用，使得火箭拥有更为优异的高轨运力。

动作2：4天半左右时间的地月转移轨道飞行

器箭分离

与长征五号遥五二级火箭分离后嫦娥五号轨道器与着陆器将分别展开太阳翼，展开后的太阳翼呈十字交叉布局，目的是避免光照遮挡。

嫦娥五号地月转移飞行

地月转移飞行期间地面深空测控网将实时测定探测器轨道位置，并视情决定是否需要轨道修正。经过嫦娥二号、三号、四号共计3次地月直接转移飞行任务的历练，嫦娥五号奔月之路将更加平稳。

动作3：近月制动

当嫦娥五号飞抵近月点约200公里位置时，需要进行反推减速也就是俗称的“太空刹车减速”以满足环月飞行速度条件，如果没有及时减速飞船将飞离月球，而如果减速过猛飞船也可能撞上月球，因此需要精确计算点火时间。

近月制动

不同于嫦娥一号、二号的490N轨控发动机，也不同于嫦娥三号、四号使用的7500N变推力发动机，嫦娥五号轨道器使用的轨控发动机推力是3000N。

该型发动机早在2012年就首次完成了1000秒连续点火高模试车，值得注意的是该型发动机是一机两用，嫦娥五号上升器使用的也是同款动力，它将随后执行月面起飞任务。

动作4：环月飞行

完成近月制动后嫦娥五号将被月球引力捕获，从而进入一条高度约200公里的环月轨道。

紧接着嫦娥五号一分为二，着陆器与支撑舱分离，形成“轨道器、返回器组合体（轨返组合体）”与“着陆器、上升器组合体（着上组合体）”。

轨返组合体与着上组合体分离

轨返组合体将继续留在200公里环月轨道运行，着上组合体将进入近月点15公里远月点200公里的着陆准备轨道进行为期三天左右的环月飞行。

期间如果有需求，还可以使用着上组合体搭载的光学相机对着陆区进行高清成像，微波高度计、激光高度计等载荷也可开机获取着陆区更为详细的地貌信息，尔后择机实施着陆任务。

着陆器与上升器组合体

动作5：月面下降，目标月球正面吕姆克山脉附近

着上组合体登月

执行登月任务的嫦娥五号着上组合体充分继承嫦娥三号、四号着陆平台技术，着陆器配置有久经战阵的7500N变推力发动机，该型号发动机具备1500N至7500N推力区间的深度调节能力，不仅能有效解决着陆减速难题，同时还具备高比冲、高精度、高可靠优势。

嫦娥三号着陆器7500N变推力发动机

整个登月过程分为着陆准备段、主减速段、接近段、悬停避障段、缓速下降段总计5个阶段，进入接近段后，着陆平台将启用我国首创的基于机器视觉全自主避障系统，该系统由惯性测量单元、激光测距敏感器、微波测距敏感器、光学成像敏感器、激光三维成像敏感器、图像数据处理计算机等态势感知设备组成。

在机器视觉全自主避障系统、7500N变推力发动机与水平机动推力器综合作用下嫦娥五号可实现优于0.7km的月面着陆精度，该精度居于世界领先水平。

嫦娥四号着陆相机拍摄登月画面

在距离月面两米高度时7500N变推力发动机关机，着上组合体开始缓冲着陆，目的是减轻发动机尾流扬起的月尘。

最后的着陆能量由四条着陆支撑腿吸收，该部件采用高效吸能合金制造，它能够确保着陆器在设定夹角内不倾覆。

高效吸能合金打造的着陆支撑腿

着陆支撑机构曾在月背登陆任务中立下大功，通过回传图像确认嫦娥四号降落在一块带有倾斜角度的坡面上，周围数米距离内就有多个月球坑。如果不是机器视觉系统加上着陆支撑机构的双重加持，想要完成复杂月面着陆行动是无法想象的。

嫦娥四号着陆倾斜坡面

为了攻克地外天体着陆难题，我国早在十年前就兴建了一座高110米的多维随动塔架试验设施，可以模拟月球引力条件下净高70米下降着陆过程。

多维随动塔架

两年多前位于河北省境内的地外天体综合试验场也拔地而起，其试验能力进一步提升，可以模拟月球、火星等天体超过100米高度的下降着陆过程，完备的地面试验设施是嫦娥三号、四号得以完美落月的强大保障。

地外天体综合试验场

动作6：月面工作

着上组合体此前之所以要在着陆准备轨道绕月飞行3天的一个重要原因是为了等待着陆区月午时刻的到来，因为着上组合体获取月壤样本需要充沛电能，而只有月午才能使太阳翼发电能力最大化。

基于月午工作条件着上组合体月面工作时间设定为48小时，嫦娥五号任务目标是抓取2公斤以上月壤，而探测器设定的月壤抓取上限是4公斤。

着上组合体月午工作48小时

为此嫦娥五号着上组合体配备了人类迄今为止最为全面的地外天体样本抓取机构，钻取采样系统由“岩心钻探机”和“机械取样器”组成。

岩心钻探机可以钻取月面下2米深度的月岩样本，机械取样器则由四自由度机械臂与末端采样器组成，基于机械臂功能可以实现大范围多样化采样。

岩心钻探机

末端采样器两端分别是铲挖式采样器与浅钻式采样器，能执行铲、挖、浅钻、拾取等多种形式的样本采集。

机械臂末端采样器

配合末端采样器工作的还有一部依附于机械臂末端位置安装的近距摄像头，稍远处还有一部远距广角摄像头。

嫦娥五号4公斤月壤抓取上限是什么水平？同样是月球无人采样领域里的世界第一。

月球-16无人月球采样飞船缩比模型

此前人类曾发射三艘无人月球采样飞船，获取的月壤总量也仅有326克，而嫦娥五号设计采样量是其总量的12倍有余，任务目标采样量是其总量的6倍有余。

为什么嫦娥五号有如此出色的采样能力？除了完备的钻取采样系统，动作7更是关键所在。

动作7：月面上升

前文提到嫦娥五号着上组合体充分继承了嫦娥三/四号平台，这意味着登陆月球的重量将与后者大体持平，而携带月壤样本用于月面起飞的上升器重量仍然高达509公斤，这一重量远远超过了玉兔号月球车的140公斤。

嫦娥五号着陆器

由于嫦娥五号是短周期任务，无需携带多余的探测载荷，维持月夜工作的核热源也可省去，加上近月制动由轨道器负责，着陆器又可省去一部分燃料重量，因此嫦娥五号着陆器才可以携超过半吨重量的上升器实现登月任务。

嫦娥五号上升器

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方案，上升器需要克服返回舱与大量燃料死重，因此极大压缩了样本重量。

嫦娥五号则是采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤，上升器只需少量燃料，且没有返回舱死重，因此取样重量才能呈几何级提高。

胜利的旗帜

根据官方宣传视频披露完成月壤采集任务后，着陆器平台将升起一面五星红旗，然后使用着陆器监视相机来一个自拍。

紧接着完成月壤样本初级封装工作的上升器就要准备月面点火起飞了，这又是一个高难度科目。

火箭在地球起飞有完备的发射塔架系统，点火起飞位置精确测算，飞行轨道也是算了又算，月面起飞就完全不同，着陆器就是上升器的发射塔架，而着陆器是不可能四平八稳的，比如嫦娥四号着陆器就落在了斜坡上，同时着陆器也不可能像地球发射塔架那样配置火箭导流槽。

上升器月面起飞

月面起飞轨道设计、月面起飞测控、发动机羽流导流都是月面起飞的核心难题，早在2015年6月航天科技集团六院101所轨姿控发动机试验区就进行了嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验，第一阶段试验即取得四战四捷成绩，充分验证了设计的可靠性与正确性。

嫦娥五号T1探测器曾模拟上升器运动轨迹

2014年发射的嫦娥五号T1试验器服务舱也曾在第三阶段拓展任务中验证了嫦娥五号上升器的运动过程。

为了确保上升器能够飞起来我们综合空间任务与地面试验进行了大量的任务验证，并且建立了一整套系统保证任务，各保证任务之间环环相扣。比如，着陆系统保证着陆在相对平坦的月面，上升系统保证即便着陆在倾斜坡面也能安全起飞等等，都是着眼最复杂的险局危局进行任务设计。

动作8：月球轨道交会对接

单单依靠上升器是无法把月壤样本送回地球的，它需要与轨返组合体对接进行样品转移，并由返回器送返地球。

嫦娥五号返回器

我国通过载人航天工程已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，然而嫦娥五号要突破的是38万公里以远的月球轨道无人交会对接，这在人类航天史上又是一个“第一次”。

月球轨道无人交会对接需要测控网攻克深空轨道多目标高精度测定轨技术，同时还需要针对嫦娥五号任务的特殊要求研制全新的轻量化对接系统。

月球轨道交会对接

神舟飞船与天宫实验室交会对接是体量相当的空间目标撞击，而嫦娥五号轨返组合体此时超过2吨的体格，与数百公斤的上升器明显不对称，任务要求由轨返组合体主动对接上升器，是大追小的复杂受力条件。

抱爪式对接机构

为了解决这一难题航天科技八院研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构，它采用捕获、校正、锁紧、自动转移功能一体化设计，在无人交会对接的同时实现样品容器自动转移，这一技术可以当之无愧地称为世界首创，是嫦娥五号具有世界领先水平的重要元素之一。

月壤样本自动转移至返回器

实施对接任务前轨返组合体首先要分离返回器支撑舱，从月面起飞的上升器将进入近月点15公里、远月点180公里的目标轨道，随后经过两天的环月飞行完成上升器与轨返组合体之间的远程导引，进入自主近程交会段后在微波雷达导引下于3.5小时内实现两器对接。

交会对接前轨返组合体抛掉支撑舱

动作9：环月等待

完成对接与样品转移后上升器将被抛离，紧接着轨返组合体将进入为期6天的环月等待飞行，目的是进入能量最优月地转移轨道。

动作10：月地转移

轨返组合体月地转移飞行

当112小时月地转移能量最优轨道窗口到来时，轨道器3000N发动机点火切入返回轨道，当轨返组合体距离地球约5000公里时，轨道器协助返回器建立再入返回姿态，随后轨返分离，返回器飞向地球进入再入返回航路。

嫦娥五号T1试验器轨返分离

动作11：近第二宇宙速度再入大气层

以往神舟飞船再入大气层的初始速度是7.6公里/秒，所承受的再入大气烧蚀温度在2000摄氏度左右，而嫦娥五号返回器则将以11公里/秒的近第二宇宙速度再入大气层，与大气摩擦的烧蚀温度将高达2760摄氏度。

再入烧蚀

为了抵御高温烧蚀嫦娥五号返回器在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼七大部位分别应用了7种不同成分的防热烧蚀材料。

舱体承受高温烧蚀的同时还面临气动减速难题，因为接下来还要打开减速伞实现软着陆地球，速度太快对减速伞的压力更大。

高速半弹道跳跃式返回轨道

为此我们创新出了高速半弹道跳跃式返回轨道，就像打水漂一样，返回器第一次再入大气后在距离地面接近60公里时利用大底前端形成的弓形激波再度反弹回太空，尔后再二次再入大气层，此时返回器再入速度将与神舟飞船返回舱一样，这样做的目的主要是为了减速。

返回器在距离地面接近1万米高度时引导伞与主减速伞相继拉出，最终它将着陆于内蒙古预定着陆场。

月地轨道返回地球的嫦娥5T1返回器

从长征五号点火起飞到着陆连续11个高难度科目总算是预演完毕，有些人不禁发问，为了拿到月壤样本嫦娥五号真的有必要如此“大费周章”吗？

早在嫦娥五号任务公开伊始也曾有直接从月面起飞返回的采样方案，这种简化方案只是走前人的老路，对登月工程技术的带动价值有限。

嫦娥五号早期月面直接起飞返回方案

我们要的显然不仅仅是两公斤月壤样本，首先通过嫦娥五号任务我国将拥有包括但不限于地外星球复杂样本取样、无人飞船地外星球起飞、地外星球深空轨道无人交会对接、样本封存转移等一系列世界领先技术，是我国引领人类月球开发的里程碑事件。

嫦娥五号将为探月三期工程画上圆满句号，但它却是开启载人登月工程的金钥匙，其核心使命不是为了那两公斤月壤，而是验证一系列登月返回的核心技术。以嫦娥五号为基础扩容，增设生命保障设备，同时提升工程可靠性，这就是一艘21世纪的载人登月飞船。

嫦娥五号着上组合体

嫦娥探月工程自启动伊始就对一系列核心技术展开正面攻坚，不论是嫦娥三号的机器视觉着陆系统，亦或者嫦娥四号代表人类首登月背，以及嫦娥五号的集群式突破，全都仰赖科研战线完全自主的原始创新，因此掌握了能够在世界上领跑月球探测的技术资本。

如果说20年前我们谈载人登月，那只能算是畅想，而现如今则早已是梦想照进现实。早在去年年初探月工程总师吴伟仁就明确表示，未来十年左右，月球南极将出现中国主导、多国参与的月球科研站，月球上将留下中国人的足迹，我国将迈入世界航天强国前列。

新一代载人飞船试验船返回舱

尤其是今年长征五号B遥一火箭首飞任务中搭载升空的新一代载人飞船试验船，第一次发射就瞄准七千多公里的深空，这一高度甚至超越了嫦娥五号轨返组合体的分离点，官方也毫不掩饰地承认它就是要验证第二宇宙速度的再入热流烧蚀。

新一代载人飞船试验船的发射是21世纪第一款服务载人登月用途包括返回舱与服务舱在内的完整构型飞船首飞任务，同时期大洋彼岸的猎户座飞船此前仅进行过返回舱测试，时至今日也没能实现完整版构型飞船首飞，要知道后者启动研制时间已经超过10年，而我们仅用了3年多时间就实现了进度反超。

服务载人登月任务的新一代载人飞船

配合新飞船执行载人登月任务的921新一代重型载人火箭日前又再度现身航天大会，这是一款CBC构型重型火箭，在采用成熟动力技术、火箭箭体基础上，还将应用多发并联、共底燃料贮箱等一系列创新技术，综合技术指标将达到国际一流水准，其奔月轨道运力可达25吨，届时依托新一代载人重型火箭我们将采用两发火箭月球轨道集合方案实施载人登月任务。

用于载人登月的新一代载人火箭

目前配型921新一代载人重型火箭的YF-100K泵后摆液氧煤油发动机已经进行多次长程热试车、共底燃料贮箱试制成功，由后过渡段、发动机安装梁、发动机小机架组合的七机并联、高效推力传递箭体结构也已经试制成功。

航天科技五院官方CG

独步全球的嫦娥五号+新一代载人飞船+921新一代载人重型火箭=？这又是一个不言自明的问题。

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