起舞弄倩影 “嫦娥”攬月回

經過23天的日夜兼程，嫦娥五號帶著“月壤”平安地回到了地球的家，實現了中國人嫦娥奔月的夢想。

嫦娥五號重達8.2噸，是我國目前發射的重量最重的探測器，而且是由火箭直接將嫦娥五號探測器送入地月轉移軌道，而不需探測器自身加速。

這是我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，首次實現了我國地外天體采樣返回，我國成為世界上第三個從月球采樣回來的國家。

2020年12月19日，嫦娥五號從月球挖的“土”正式移交至相關科研單位，我國首次地外天體樣品儲存和研究工作拉開序幕。回顧此次月球挖“土”，嫦娥五號經歷了地月轉移、近月制動、在軌分離、平穩落月、鉆表取樣、月面起飛、交接對接、樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收等階段。各環節順利進行，離不開航天科研人員的科技保障。

測量雷達“緊盯”火箭飛行

在長征五號運載火箭帶著焰尾拔地而起的幾分鐘內，兩部固定式脈沖測量雷達快速采集著火箭的飛行信息，確保指控中心能第一時間掌握全局，作好安全控制。

這是雷達測量的第一棒。從點火的那一刻開始，這兩部探測雷達像兩雙“鷹眼”，緊盯火箭飛行，用于運載火箭發射上升段的外彈道測量，為發射場指控中心實時提供火箭距離、方位、俯仰等精確坐標信息和速度數據。一旦火箭飛行出現偏移軌道的狀況，即刻就能發現。

聲表面波濾波器讓“嫦娥”更“耳聰”

在此次任務中，還有一個“神器” ? ?聲表面波濾波器。聲表面波濾波器被同時安裝在嫦娥五號及長征五號火箭上，主要應用在測控、應答機等分系統，全力保障嫦娥五號信號接收、過濾雜波，以及各分系統信號接收、處理。

航天器發射中一旦有了信號干擾，地面接收到的信息就好比接聽串了線的電話。聲表面波濾波器能夠輕松過濾掉高次諧波、鏡像信息、發射漏泄信號以及各類寄生雜波等各種干擾信號，保證發射場指揮控制中心可以清晰接收準確信號，相當于讓“嫦娥”更“耳聰”。

為了濾除無用信號，更好助力嫦娥五號太空觀測，確保與地面控制中心的信號暢通，科學家們對每一個濾波器都精雕細琢。聲表面波濾波器的最細線條寬度達到0.3微米，相當于頭發絲直徑的1/200。每一個合格的高可靠性聲表面波濾波器，都要在高倍顯微鏡下“過關斬將”，并至少經歷3次超聲波或等離子清洗，才能保證元器件的可靠性。

晶體元器件穩住探月“脈搏”

嫦娥五號的頻率信號如同人體的脈搏，脈搏穩定是嫦娥五號正常工作的前提。

科學家們研制生產了數百只自主可控晶體元器件，作為嫦娥五號電子設備的心臟，牢牢穩住嫦娥五號飛行的“脈搏”。這些晶體元器件包括晶體振蕩器、石英諧振器等為嫦娥五號的發射、測控、在軌飛行、采樣、返回等提供了穩定可靠的頻率信號。其中，高性能時鐘晶體振蕩器全力保障嫦娥五號在遙遠的太空中控得住，采好樣，順利返回。抗沖擊溫補晶體振蕩器具有頻率準確、耐受沖擊的特點。此次嫦娥五號使用了數只這樣高精度的抗沖擊溫補晶體振蕩器。這些神器都是處于“關鍵崗位”，它們的輸出信號頻譜干凈，保證“嫦娥”平安回家。高精度溫補晶體振蕩器是頻率控制的“大咖”，它可以輸出更加精準穩定的頻率信號，能夠大幅提高嫦娥五號的性能指標、可靠性、頻率穩定度，溫度工作范圍提高了近一倍，并具有良好的環境適應性。

微波雷達做“嫦娥”銳利的“眼睛”

科學家們研制的月球軌道交會對接微波雷達，是實現月球軌道交會對接和“月壤”轉移的關鍵設備，用于嫦娥五號軌道器、上升器之間相對位置與相對姿態的精確測量，同時實現雙向空空通信，就像互相能看見的銳利“眼睛”，引導兩個航天器最終實現月球軌道交會對接，保證“月壤”采樣安全轉移。

搬運外骨骼抱“嫦娥”回家

當嫦娥五號返回器在預定地點著陸后，科學家們設計的搬運外骨骼可助力回收大隊成功搜救返回器。這個搬運外骨骼包含上肢助力模塊和下肢助力模塊，負載能力達50千克，通過電動直驅助力模塊及智能步態分析算法，配合人體上下肢關節發力，降低人體能耗，同時為穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力，在負重搬運時可省力約60%，幫助穿戴者承擔更大載荷，能夠更輕松地抱“嫦娥”回家。

此次任務中，兩名身穿外骨骼的搜救回收隊員攜帶搜救設備從直升機降落點快速移動至返回器著陸點，并在返回器旁插上一面鮮艷的五星紅旗。與此同時，搬運外骨骼還協助搜救回收大隊在返回器周邊快速搭建應急通信、照明及電力保障體系，確保搜救回收任務快速、安全、高效完成，為整個嫦娥五號探月任務收官畫上圓滿句號。

國外的再入航天器共有三類：彈道式再入航天器、彈道升力式再入航天器和升力式再入航天器。而我國的探月工程則采用了一種全新的再入方式 ? ?半彈道跳躍式再入返回。

何謂半彈道跳躍式再入返回？

嫦娥五號“回家心切”，飛行速度為每秒11.2千米的第二宇宙速度，以這個速度進入大氣層，嫦娥五號表面溫度在3000℃以上。在這樣的溫度下金剛石都會熔化。如果高溫被傳導到返回器內部，將對攜帶的“月壤”產生影響。而其他從數百千米高的近地軌道返回的航天器，其速度大多為每秒7.9千米的第一宇宙速度，這時材料表面溫度約為1800℃。每秒3.3千米差距看似不大，但返回器一旦速度過猛、撞向地球，后果不堪設想。因此，為了減速，科學家們讓嫦娥五號借助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面，就像在太空中“打水漂”。

科學家們還設計了一系列措施保證嫦娥五號返回器平安回家。

航天器不同的部位對防熱材料的要求不同，需要選擇不同耐熱溫度的材料。比如，環氧樹脂基復合材料可耐受120℃左右的溫度，使用范圍比較廣泛，可以應用于火箭整流罩、衛星結構件等;雙馬樹脂基復合材料可以耐受200℃以上的溫度，主要應用于火箭防熱底板、儀器艙艙段等;聚酰亞胺基復合材料可耐受500℃左右的高溫，可應用于火箭及航天器的耐高溫部件。

對于高速穿越大氣層的航天器來說，輕裝上陣能飛得更遠。例如，火箭末級每減輕1千克重量，就能增加1千克的有效載荷，或是增加15千米左右的射程。實際上，降低材料密度本身并不很難，但要讓材料的密度低，同時又能耐高溫、強隔熱，難度就非常大了。

為減輕航天器載重負擔，要確保嫦娥五號返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上，最終根據各部位受熱情況的不同，在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環、側壁迎風面、側壁背風面、側壁艙蓋與邊緣防熱環、穩定翼七大部位分別應用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。這7種材料相互配合、和諧相處，防熱減重兩不誤。

比如，氣動加熱最嚴重的大底結構，采用的是輕質低密度燒蝕防熱材料，其密度約為每立方厘米0.5克，每平方米可承受6兆瓦的熱流環境;側壁結構采用的是超輕質的蜂窩增強防熱材料，密度約為每立方厘米0.36克，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環境。

之前國際上最好的防熱材料是改進后的Avcoat5026，這是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是此前唯一經歷載人登月返回特殊嚴酷熱環境的防熱材料。改進后的Avcoat 5026密度為每立方厘米0.56克左右，能夠在熱流作用下發生分解、熔化等變化，借質量消耗帶走大量的熱，以達到阻止再入大氣層時的熱流傳入飛行器內部的目的。但是這種防熱材料的制造工藝復雜、周期非常長，以獵戶座飛船大底為例，其防熱材料需要整整6個月才能完成制造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為每立方厘米0.5克，成型周期是獵戶座飛船大底的1/25。

嫦娥五號帶回的月壤土，來自月球緯度43度風暴洋東北角的玄武巖區域。全新的樣品研究對月球表面的風化作用、火山作用和區域地質背景、區域地質演化方面應該能作出很多科研貢獻。選擇此地的一個原因是基于工程的可實現性，包括安全降落地形地貌、能源供給的光照條件、熱控條件、通信因素、測控因素。

這些來自月球風暴洋的珍品，將會放在位于北京的中國科學院國家天文臺。這是月球樣品的主要存放地點。作為一種容災備份，還有一部分樣品將放在湖南韶山。

嫦娥五號帶回的月壤土將有三種用途：第一種，為了進行科學研究，這是最主要的目的;第二種，為了能早一點與公眾見面，有一部分樣品將入藏國家博物館，向公眾展示，進行科普教育;第三種，依據國際合作的公約和多邊雙邊的合作協議，我國將發布月球樣品和數據管理辦法，與世界各國的科學家共享;也有一部分按照國際慣例，可能作為國禮相送。

近一段時期，國際同行對嫦娥五號都非常關注，紛紛給中國國家航天局、中國政府、相關機構發來賀電，提出了需要共同開展研究的意愿。中國國家航天局與40多個國家簽訂了140多份合作協議。

科學家們會在實驗室進行長期系統的月球樣品研究工作，包括它的結構構造、物理特性、化學成分、同位素組成、礦物特點和地質演化等，希望能夠深入了解月球的起源、演化。

嫦娥五號成功返回地球，讓人們對載人登月充滿了遐想。中國是否已經有了明確的載人登月計劃？

嫦娥五號目前開展的月面起飛、軌道交會對接、再入返回等，都是未來載人返回的必要技術。這些技術也是為未來載人登月打基礎。按照目前有關部門的初步意向，先搞關鍵技術攻關，等地球軌道的空間站建成，再規劃論證是不是要搞載人登月。

星辰征途永無止境，逐夢之行永不停歇。中國航天事業開創了從無到有的輝煌歷史，憑借中國智慧不斷刷新探索宇宙的新高度。

（本刊綜合）