太空探索

01.發射

11月24日 凌 晨4時30分，長征五號遙五運載火箭把嫦娥五號探測器直接送入地月轉移軌道。目前，全球范圍內能將8噸級探測器直送地月轉移軌道的國家僅有兩個，一個是美國，另一個就是中國。

02.地月轉移軌道飛行

地月轉移軌道是地月間能量消耗較小的軌道，嫦娥二號、三號、四號，探月工程三期再入返回飛行試驗器任務走的都是該軌道。在這條“長途高速公路”上，嫦娥五號的飛行時間大約是112個小時，其間進行1～3次中途修正。

地面深空測控網將實時工作，保證嫦娥五號在茫茫宇宙中不迷失方向。

03.近月制動

當嫦娥五號飛抵近月點約200公里的位置時，及時的“太空剎車減速”尤為重要。如果沒有及時剎車減速，嫦娥五號將飛離月球；如果減速過猛，還可能撞上月球。因此，必須精確計算點火時間。在這次任務中，為了更好地進行柔性控制，嫦娥五號將踩上兩腳剎車。

不同于嫦娥一號、二號使用的490牛軌控發動機，嫦娥五號的軌控發動機是新研制的3000牛發動機。它的比沖高達312秒，性能非常好。

04.環月飛行

2次減速剎車后，嫦娥五號將被月球引力捕獲，從而進入一個高度約200公里的環月軌道。

在環月軌道上，嫦娥五號著陸器與軌道器支撐艙分離，形成“軌道器、返回器組合體（軌返組合體）”與“著陸器、上升器組合體（著上組合體）”。

軌返組合體將繼續留在200公里環月軌道運行，等待上升器的歸來。著上組合體則通過2次降軌變軌至近月點15公里、遠月點200公里的著陸準備軌道，進行為期兩天左右的環月飛行。

05.月面下降

著上組合體要執行落月任務。這一過程在嫦娥三號、四號任務中已經得到成功實踐。因為嫦娥五號著陸重量比嫦娥三號和嫦娥四號要重很多，所以著陸時間增長至15分鐘左右，風險也更大一些。

在機器視覺全自主避障系統、7500牛變推力發動機與水平機動推力器的綜合作用下，嫦娥五號可實現較高精度的月面著陸。著陸的目標地是月球正面呂姆克山脈附近。該山脈坐落在月球北緯40.8°、西經58.1°處，面積大、邊緣很陡、山頂比較平坦。

06.月面工作

嫦娥五號著上組合體的月面工作時間設定為48小時，目標是采集約2公斤的月球樣品。

采樣方式分為表取和鉆取。這兩種方式互相補充，既能夠獲得表層或次表層月壤，又能夠采集深層樣品，獲得層理信息。為此，著上組合體配備了人類迄今為止最為全面的地外天體樣本抓取機構。其中，鉆取采樣裝置可以鉆取月面下2米深度的月巖樣本；表取采樣裝置則由四自由度機械臂與末端采樣器組成，基于機械臂功能可以實現大范圍多樣化采樣。

嫦娥五號采樣目標約2公斤月球樣品，在無人采樣領域堪稱佼佼者。此前人類曾發射3艘無人月球采樣飛船，獲取的月壤總量也僅有326克。

月面采樣任務結束后，完成月球樣本密封封裝工作的上升器，準備從月面點火起飛。

07.月面上升

月面起飛是一個從未進行過的高難度動作。軌道設計、起飛測控、發動機羽流導流等都是核心難題。

在研制過程中，嫦娥五號全尺寸羽流導流綜合驗證試驗充分驗證了設計的可靠性與正確性，月面起飛用3000牛發動機經過了嚴苛的考驗，GNC（制導、導航與控制）系統也對垂直上升段、上升調姿段、軌道入射段進行了大量的試驗驗證和仿真。

不同于地球環境，從月球表面起飛存在很多未知因素。比如，月面軟著陸過程無法保證精確的水平姿態，同時也無法提供完備的起飛、發射支持；月塵對設備的影響未知。在GNC系統、推進系統的共同作用下，上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面，也要能夠安全起飛。

此次月面發射的窗口期很短，上升器和軌返組合體要精準考慮測控需求、光照需求以及姿態控制要求，以確保交會對接的順利完成。

08.月球軌道交會對接與樣品轉移

上升器從月面起飛，進入近月點15公里、遠月點180公里的目標軌道，經過兩天的環月飛行，完成與軌返組合體之間的遠程導引，進入自主近程交會段后，在交會對接敏感器導引下于3.5小時內實現兩器對接。對接之后，上升器將樣品轉移至返回器。

不同于載人航天工程的地球近地軌道交會對接，嫦娥五號要突破的是首次在38萬公里以外的月球軌道無人交會對接技術。除了要攻克深空軌道多目標高精度制導、導航與控制技術，還需要輕量化的對接系統。

“神舟”與“天宮”交會對接是體量相當的空間目標撞擊，而嫦娥五號的軌返組合體超過2噸，上升器才幾百公斤。為了保證彼此的安全，要改撞擊為停靠抓捕。軌返組合體要主動對接上升器，呈現大追小的復雜工況。

為了解決這一難題，一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機構應運而生。它采用捕獲、校正、鎖緊、自動轉移功能一體化設計，在無人交會對接的同時，通過連桿式的轉移裝置實現樣品容器自動轉移。

09.環月等待

完成對接與樣品轉移后的上升器使命終結，與軌返組合體再次分離。緊接著，軌返組合體將進入為期5～7天的環月等待飛行，等待進入月地轉移軌道的合適窗口，全力以赴做好返回地球的準備。

10.月地轉移

當月地轉移軌道窗口到來時，軌道器3000牛發動機點火加速飛向地球。嫦娥五號軌返組合體帶著月球采樣樣品滿載而歸。當距離地球約5000公里高度時，軌返組合體建立分離姿態，隨后二者分離，返回器即將回到地球的懷抱。

11.近第二宇宙速度再入大氣層

以往神舟飛船再入大氣層的初始速度是7.6公里/秒，所承受的再入大氣燒蝕溫度在2000攝氏度左右，而嫦娥五號的返回器則將以約11公里/秒的近第二宇宙速度再入大氣層，與大氣摩擦的燒蝕溫度將近3000攝氏度。

為了抵御高溫燒蝕，返回器應用了強大的防熱燒蝕材料。艙體承受高溫燒蝕的同時還面臨氣動減速難題。

工程師們創新設計出高速半彈道跳躍式返回軌道，就像打水漂一樣。返回器第一次再入大氣后，在距地面約60公里處利用大氣升力再度反彈回太空，然后第二次再入大氣層實現減速。

返回器在距離地面接近1萬米高度時，減速傘與主傘相繼拉出，最終將著陸于內蒙古四子王旗著陸場。★