西昌衛(wèi)星發(fā)射中心文昌發(fā)測站副站長、嫦娥五號任務(wù)01指揮員胡旭東(前中)和同事們在慶祝發(fā)射成功。本報記者 高興貴攝

長征五號遙五運(yùn)載火箭準(zhǔn)備發(fā)射升空。本報記者 高興貴攝

11月24日，我國成功發(fā)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(zhàn)，計劃實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)：一是突破窄窗口多軌道裝訂發(fā)射、月面自動采樣與封裝等關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平;二是實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體自動采樣返回，推動我國科學(xué)技術(shù)重大進(jìn)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(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

“通過嫦娥五號任務(wù)牽引，我國將掌握比較完整的無人月球探測技術(shù)，為未來的空間科學(xué)和空間應(yīng)用奠定堅實(shí)基礎(chǔ)，對于提升我國航天科技水平，推動我國自主創(chuàng)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(shè)計師、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇說。

奔月之旅步步創(chuàng)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(tǒng)組成，是中國首個實(shí)施無人月面取樣返回的航天器。發(fā)射成功后，嫦娥五號將經(jīng)過11個飛行階段，共計20余天的在軌飛行過程，采集約2千克月球樣品返回地球。

專家介紹，本次嫦娥五號的科學(xué)探測任務(wù)主要是開展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測與地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系;對月球樣品開展系統(tǒng)長期實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)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(shí)現(xiàn)我國航天史上多個“首次”。

首次月面自動采樣與封裝。作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動采樣封裝是嫦娥五號任務(wù)中最引人注目的一個環(huán)節(jié)。在這個階段，嫦娥五號探測器將在月面選定區(qū)域著陸，并采集月壤，實(shí)現(xiàn)我國首次月面自動采樣與封裝。為此，中國航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計師們?yōu)殒隙鹞逄柧脑O(shè)計了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。當(dāng)嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面后，就會開始為期兩天的月面工作，采集約2千克月壤并密封封裝，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)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(dāng)嫦娥五號探測器完成月面工作后，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采樣封裝后，上升器就要準(zhǔn)備月面點(diǎn)火起飛了。運(yùn)載火箭在地球起飛是有一套完備發(fā)射塔架系統(tǒng)的。月面起飛就不一樣了，由于月球表面環(huán)境復(fù)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(shí)現(xiàn)起飛時的自主定位、定姿。

首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接。當(dāng)著陸器托舉上升器實(shí)現(xiàn)月面起飛上升后，嫦娥五號一路飛奔而去。但僅依靠上升器是不可能實(shí)現(xiàn)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，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器。然而，在38萬公里外的月球軌道上實(shí)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(dāng)返回器帶著月壤從38萬公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)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(chuàng)新提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，就像在太空打水漂一樣，讓返回器先是高速進(jìn)入大氣層初次減速，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再入大氣層二次減速，最后返回地面，確保嫦娥五號安全順利降落。

月球“挖土”科學(xué)價值巨大

月球表面有一層廣泛分布的厚2米至15米的月壤，對地球上的人來說，其蘊(yùn)藏著巨大科學(xué)價值。據(jù)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)行星科學(xué)研究所教授肖龍介紹，“月壤中有大量月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質(zhì)。科學(xué)家通過研究這些月壤物質(zhì)，既可以了解月球的地質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(shí)驗(yàn)與分析證實(shí)，月壤和月巖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(zhì)支持月球基地運(yùn)行，并為登月飛行器補(bǔ)充燃料。更重要的是，科學(xué)家還在采回的樣品中發(fā)現(xiàn)了核聚變理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規(guī)模，月球上的氦-3用于核聚變發(fā)電后，能夠滿足人類約1萬年的能源需求。此外，由于月壤處于月球最表層，具有松散、細(xì)顆粒與易于開采的特點(diǎn)，是未來月球科研站建設(shè)、采礦、修路、資源提取的首選目標(biāo)。

此次嫦娥五號的任務(wù)目標(biāo)是從月球上帶回約2千克月壤。據(jù)裴照宇介紹：“這是綜合考慮科研需求與運(yùn)載火箭能力等多方面因素而設(shè)定的指標(biāo)。”具體來說，通過表取的方式在月表采集1.5千克樣品，采樣機(jī)構(gòu)重幾十公斤;通過鉆取的方式采集0.5千克樣品，采樣機(jī)構(gòu)重七八十公斤。這100多公斤采樣機(jī)構(gòu)都要由探測器運(yùn)送到月球表面，對火箭運(yùn)載能力是個巨大考驗(yàn)。“這次任務(wù)最重要的目標(biāo)是采樣返回，采到樣品，返回地球，就是成功!當(dāng)然，既然設(shè)計了2千克這一指標(biāo)，我們會努力爭取實(shí)現(xiàn)。”裴照宇說。

2020年最有“分量”的發(fā)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(yùn)載火箭。它是我國新一代大推力低溫液體運(yùn)載火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)載能力可達(dá)14噸，是目前我國運(yùn)載能力最大的火箭。嫦娥五號月球探測器重達(dá)8.2噸，需要進(jìn)入近地點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)41萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道，對運(yùn)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(yùn)載火箭能將這么重的載荷直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。”長征五號火箭第一總指揮、中國航天科技集團(tuán)一院黨委書記李明華說。

據(jù)中國航天科技集團(tuán)一院長征五號系列運(yùn)載火箭總設(shè)計師李東介紹，為確保火箭準(zhǔn)時發(fā)射，研制團(tuán)隊(duì)采用了變射向、變滑行時間的多軌道奔月發(fā)射方案，針對50分鐘發(fā)射窗口設(shè)計了5條發(fā)射軌道，每條軌道對應(yīng)10分鐘的發(fā)射窗口。在發(fā)射窗口期內(nèi)，可根據(jù)發(fā)射時間通過軟件自動選擇發(fā)射軌道，為長征五號火箭實(shí)現(xiàn)“零窗口”發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。(記者 姜天驕)