撰文 | 乔辉
2020年11月24日凌晨4点30分，我国长征五号运载火箭在海南文昌航天发射场发射升空，搭载的是我国嫦娥五号月球探测器。
这是我国首次执行月球采样返回任务，也是迄今为止我国执行的最为复杂的航天任务。据悉，本次航天任务共有11个重大飞行阶段，23次重大轨道控制，6次重大分离控制等复杂环节，还有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上“无人交会对接”等高风险环节。整个采样返回过程持续长达23天，发射起飞只是万里长征第一步。长征五号火箭（俗称“胖五”）是我国目前运载能力最强的火箭，近地轨道的运载能力达25吨，地火转移轨道的运载能力为6吨，地月转移轨道的运载能力为8.2吨。此前，长征三号甲火箭、长征三号丙火箭以及长征三号乙火箭承担了发射我国月球探测器的任务，相继发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥四号四个月球探测器，完成了对月球的环绕探测、着陆探测和巡视探测。但是，执行本次嫦娥五号的发射任务，非长征五号莫属。这是为什么呢？从原理上讲，采用多大运载能力的火箭发射探测器取决于两个因素：一是看探测器有多重，二是看探测器要飞往哪里。我们来具体看一下嫦娥五号的情况：本次嫦娥五号探测器整体重约8.2吨，目的地是38万公里之外的月球，我国目前运载能力最强的长征五号火箭刚好能够满足要求，因此必须用长征五号火箭发射。2020年7月23日，长征五号运载火箭还成功发射了“天问一号”火星探测器，目前正前往火星的旅途中。中国探月工程是我国启动的第一个探月工程，于2004年1月23日正式启动，分为绕、落、回三部曲。1、“绕”就是发射月球卫星，嫦娥一号和嫦娥二号已经实现；嫦娥一号的飞行轨道（左），嫦娥二号的飞行轨道（右）。2、“落”就是在月球表面软着陆，嫦娥三号已实现在月球的正面软着陆，“嫦娥四号”也已实现在月球背面软着陆，并在月球背面开展科学探测工作，在全球尚属首次。虽然嫦娥四号是嫦娥三号的备份星，但却取得了多方面的创新。3、“回”就是从月球表面采样返回地球，就是本次嫦娥五号执行的任务，计划把2千克的月壤样品带回地球。值得一提的是，后来，我国又拓展了“月球科研站”任务。该任务是由后续的“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”完成。计划在月球南极地区着陆并开展更为复杂的科学研究。我们知道，到目前为止，成功从月球带回样品的国家只有两个：美国和前苏联。其中，美国上世纪60、70年代通过阿波罗计划中的6次载人登月，从月球总共取回381千克月壤和月岩样品。而前苏联上世纪70年代通过月球16号、月球20号和月球24号三个无人探测器取回月壤样品总共330克。从1976年前苏联月球20号探测器最后一次月球采样返回算起，人类已经44年没有获得月球样品了。嫦娥五号探测器由四大部分组成：轨道器、着陆器、上升器和返回器。轨道器是指月球轨道器，在嫦娥五号进入月球轨道后，轨道器先驻留在轨道上，等待后续搭载返回器重返地球之用。着陆器安装有反推火箭，执行月面软着陆，并自动进行月面采样、样品封装等操作。上升器以着陆器作为发射架，从月面动力起飞，携带月壤样品飞入月球轨道，并把月壤转移到返回器。返回器是最终搭载月壤样品返回地球的结构部分，承受高速进入地球大气层时的高温和冲击，保护样品不受影响。文章开头我们提到，本次航天任务共有11个重大飞行阶段，23次重大轨道控制，6次重大分离控制等复杂环节，还有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上“无人交会对接”等高风险环节。在不谈技术性细节的情况下，我们主要看这5个关键点就够了。1、火箭发射：即便到了21世纪的今天，火箭发射仍然有比较大的不确定性。2017年，我国长征五号遥二运载火箭曾经出现过故障，未能把有效载荷送入轨道。高兴的是，2019年发射的长五遥三运载火箭和2020年发射的长五遥四运载火箭都完美成功。2、探测器落月阶段：我们知道，此前，嫦娥三号和嫦娥四号月球探测器分别实现了月球正面和月球背面的软着陆，实现月面软着陆的关键是动力下降阶段。由于月球上没有空气，探测器要想在月球软着陆，必须使用反推火箭徐徐下降，并小心翼翼地选择比较平坦的着陆地点，防止“翻车”事故，这也是一个高风险的关键环节。2019年，以色列月球着陆器和印度月球着陆器相继在月球表面坠毁。嫦娥五号降落月面的情形（艺术图）。
3、月面起飞阶段：当嫦娥五号从月球表面获得了足够的样品，上升器就以着陆器为发射架，携带样品从月面点火升空，然后加速到月球的第一宇宙速度进入绕月轨道，准备与等待在月轨上的轨道器对接。虽然月面的引力只有地面的六分之一，但是在38万公里之外的月球上起飞还是难度挺大的，而且这还是我们的首次尝试，存在很大的不确定性。图注：嫦娥五号上升器携带月壤样本上升情形（艺术图）。4、月球轨道交汇对接：当携带者样品的上升器进入月球轨道，然后要与等待在那里的轨道器进行对接，把样品转移到轨道器和返回器组合体中。地球轨道上航天器的交汇对接我们玩的很熟练，但月球轨道上的交汇对接我们还是第一次，还有很多要摸索的技术细节。图注：嫦娥五号的上升器和轨道器正准备月轨交会对接的情形（艺术图）。5、返回地球：轨道器启动火箭，搭载返回器离开月球引力直奔地球，接近地球的时候，返回器与轨道器分离。图注：嫦娥五号的返回器与轨道器分离，正准备进入地球大气层的情形（艺术图）。我们知道，航天器从38万公里之外的月球飞往地球的过程中，相当于从38万公里的高度“掉”向地球，来到地球附近的时候，其速度接近地球的第二宇宙速度（11.2公里每秒）！返回器以这样高的速度进入大气层，一不小心，就有可能像流星一样化为青烟。图注：2014年11月01日，“嫦娥五号再入返回飞行试验器”在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆。好在我们2015年就进行了“嫦娥五号再入返回飞行试验器”，提前成功进行了高速返回测试，为确保本次嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。通过文章以上部分，我们可以看出，嫦娥五号任务将创造我国数个首次，包括：2005年，本文作者还在大学时代就有幸聆听过欧阳自远院士的科普讲座，欧阳自远院士是我国探月工程首席科学家。当时他回忆说，1978年5月28日，美国派出总统国家安全事务顾问布热津斯基访问中国，并带来了卡特总统向中国赠送的礼物：质量仅1克的月岩样品。月岩样品放在一块有机玻璃内，看上去有指甲盖般大小。这份样品被一分为二：一半珍藏在北京天文馆让公众参观；另外一半用于研究，研究人员竟然发表了十多篇重要论文。1978年，美国赠予我国的月岩样品。现收藏于北京天文馆。据报道，本次嫦娥五号采样的地点位于月球“风暴洋”北部吕姆克山脉附近，这个地方其他国家从未到访过，该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。嫦娥五号计划的着陆地点（制图：Chirongui ）此前对美、前苏获取月壤样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩，这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样品能够证实这段时间月球仍在活动，将改写月球的历史。1959年至1976年，前苏联曾60多次向月球发射探测器，创造了多项世界第一，包括第一次拍摄到月球背面，以及三次采集月岩返回地球。截至2019年底，美国向月球发射的探测器和载人航天器也已超60多次。中国4次，日本2次，欧洲1次，印度2次，以色列1次。其中比较成功的包括：1961年至1968年，美国“徘徊者”系列飞行器，“月球轨道”系列飞行器以及“勘测者”系列月球着陆器，为后续阿波罗登月计划铺平了道路。1969年至1972年，美国实施阿波罗计划，共6次登月成功，把12名宇航员送上过月球。1969年，登月宇航员奥尔德林站在月面上，从头盔的反光中可见另一位宇航员，正是登月第一人阿姆斯特朗。1994年至1999年期间，美国“克莱门汀”和“月球探勘者”的数据表明，月球两极区域可能存在着水冰。2003年9月27日，欧空局的“智慧一号”探测器发射升空，这是欧空局第一个飞向月球的探测器，完成科学任务后，于2006年9月3日主动撞击月球表面。2007年至2008年，日本“月亮女神”，以及“嫦娥一号”成功进入月球轨道，随后印度“月船1号”相继进入月球轨道。2009年6月18日，美国的“月球勘测轨道飞行器”和“月球环形山观测与遥感卫星”同时发射。2010年10月1日搭载着“嫦娥二号”卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。2011年9月10日，美国发射了“圣杯号”，这项任务旨在精确探测并绘制月球的重力场图以判断月球内部构造。2013年9月6日，美国发射“月球大气与粉尘环境探测器”，用于探测月球大气层的散逸层和周围的尘埃，该探测器于2014年4月18日撞向月球背面而结束任务。2013年12月14日，嫦娥三号成功软着陆于月球雨海西北部，成为继1976年“月球24号”后首个在月球表面软着陆的探测器，也是世界上第三个实现在月面着陆的国家。2014年10月23日，“嫦娥五号再入返回飞行试验器”发射升空，为本次“嫦娥五号”探测器以第二宇宙速度再入大气层提供试验验证。2014年11月01日，返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。2019年1月3日，“嫦娥四号”探测器首次实现人类探测器在月球背面软着陆。特 别 提 示
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