嫦娥五號開啟月球“挖土”之旅

西昌衛星發射中心文昌發測站副站長、嫦娥五號任務01指揮員胡旭東（前中）和同事們在慶祝發射成功。人民日報記者 高興貴 攝

長征五號遙五運載火箭準備發射升空。人民日報記者 高興貴 攝

11月24日，我國成功發射探月工程嫦娥五號探測器。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰，計劃實現三大工程目標：一是突破窄窗口多軌道裝訂發射、月面自動採樣與封裝等關鍵技術，提升我國航天技術水平；二是實現我國首次地外天體自動採樣返回，推動我國科學技術重大進步；三是完善探月工程體系，為我國未來開展載人登月與深空探測積累重要人才、技術和物質基礎。

“通過嫦娥五號任務牽引，我國將掌握比較完整的無人月球探測技術，為未來的空間科學和空間應用奠定堅實基礎，對於提升我國航天科技水平，推動我國自主創新具有重要意義。”國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇説。

奔月之旅步步創新

嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器、上升器四大部分共15個分系統組成，是中國首個實施無人月面取樣返回的航天器。發射成功後，嫦娥五號將經過11個飛行階段，共計20余天的在軌飛行過程，採集約2千克月球樣品返回地球。

專家介紹，本次嫦娥五號的科學探測任務主要是開展著陸點區域形貌探測與地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯絡；對月球樣品開展系統長期實驗室研究，分析月壤結構、物理特性、物質組成，深化月球成因與演化歷史研究。

作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之作，嫦娥五號有望實現我國航天史上多個“首次”。

首次月面自動採樣與封裝。作為此次任務的核心關鍵之一，月球表面自動採樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。在這個階段，嫦娥五號探測器將在月面選定區域著陸，並採集月壤，實現我國首次月面自動採樣與封裝。為此，中國航天科技集團五院的設計師們為嫦娥五號精心設計了兩種“挖土”模式：鑽取和表取。當嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面後，就會開始為期兩天的月面工作，採集約2千克月壤並密封封裝，經月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移與再入回收等過程將月球樣品安全送回地球家園。

首次月面起飛上升。當嫦娥五號探測器完成月面工作後，就要踏上“回家”的旅程。回家第一步如果順利邁出，將會突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。嫦娥五號順利完成月壤採樣封裝後，上升器就要準備月面點火起飛了。運載火箭在地球起飛是有一套完備發射塔架系統的。月面起飛就不一樣了，由於月球表面環境複雜，這給著陸器起飛帶來了很大難度。此外，嫦娥五號在月面起飛必須依靠自身力量實現起飛時的自主定位、定姿。

首次實現月球軌道交會對接。當著陸器托舉上升器實現月面起飛上升後，嫦娥五號一路飛奔而去。但僅依靠上升器是不可能實現返回地球的，它需要飛到月球軌道上與軌返組合體交會對接，把採集到的月壤轉移到返回器。然而，在38萬公里外的月球軌道上實施無人交會對接不僅在我國尚屬首次，在人類航天史上也是第一次。

首次帶月壤高速再入返回地球。當返回器帶著月壤從38萬公里遠的月球風馳電掣般向地球飛來，這時它的飛行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度，一般從近地軌道返回的航天器速度則大多為每秒8公里的第一宇宙速度。這每秒3公里的差距給航天器再入返回地球帶來巨大難度，一旦速度過猛，返回器就會一頭撞向地球。因此，在這一過程中必須讓返回器減速飛行。對此，科研人員創新提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案，就像在太空打水漂一樣，讓返回器先是高速進入大氣層初次減速，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後再入大氣層二次減速，最後返回地面，確保嫦娥五號安全順利降落。

月球“挖土”科學價值巨大

月球表面有一層廣泛分佈的厚2米至15米的月壤，對地球上的人來説，其蘊藏著巨大科學價值。據中國地質大學(武漢)行星科學研究所教授肖龍介紹，“月壤中有大量月球岩石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質，既可以了解月球的地質演化歷史，也可以為了解太陽活動等提供必要信息”。

此外，月壤還擁有豐富資源。專家介紹，科研人員通過研究發現，月壤中含有大量微小橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅。通過對樣品的實驗與分析證實，月壤和月岩中氧化鐵的含量也很高，從中可以制取水和氧，未來可利用月面物質支持月球基地運行，併為登月飛行器補充燃料。更重要的是，科學家還在採回的樣品中發現了核聚變理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用於核聚變發電後，能夠滿足人類約1萬年的能源需求。此外，由於月壤處於月球最表層，具有鬆散、細顆粒與易於開採的特點，是未來月球科研站建設、採礦、修路、資源提取的首選目標。

此次嫦娥五號的任務目標是從月球上帶回約2千克月壤。據裴照宇介紹：“這是綜合考慮科研需求與運載火箭能力等多方面因素而設定的指標。”具體來説，通過表取的方式在月表採集1.5千克樣品，採樣機構重幾十公斤；通過鑽取的方式採集0.5千克樣品，採樣機構重七八十公斤。這100多公斤採樣機構都要由探測器運送到月球表面，對火箭運載能力是個巨大考驗。“這次任務最重要的目標是採樣返回，採到樣品，返回地球，就是成功！當然，既然設計了2千克這一指標，我們會努力爭取實現。”裴照宇説。

2020年最有“分量”的發射

此次托舉嫦娥五號一飛沖天的是被大家親切稱為“胖五”的長征五號遙五運載火箭。它是我國新一代大推力低溫液體運載火箭，其地球同步轉移軌道（GTO）運載能力可達14噸，是目前我國運載能力最大的火箭。嫦娥五號月球探測器重達8.2噸，需要進入近地點200公里、遠地點41萬公里的地月轉移軌道，對運載火箭的能力提出了較高要求。“在長征火箭家族中，只有長征五號運載火箭能將這麼重的載荷直接送入地月轉移軌道。”長征五號火箭第一總指揮、中國航天科技集團一院黨委書記李明華説。

據中國航天科技集團一院長征五號系列運載火箭總設計師李東介紹，為確保火箭準時發射，研製團隊採用了變射向、變滑行時間的多軌道奔月發射方案，針對50分鐘發射窗口設計了5條發射軌道，每條軌道對應10分鐘的發射窗口。在發射窗口期內，可根據發射時間通過軟體自動選擇發射軌道，為長征五號火箭實現“零窗口”發射奠定了基礎。（記者 姜天驕）