2020年11月24日，嫦娥五號(hào)探測器在中國海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，將實(shí)現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回任務(wù)。在未來20多天里，嫦娥五號(hào)將經(jīng)過11個(gè)階段，最終采集約2kg月球樣品返回地球。

嫦娥五號(hào)將給我們帶來什么驚喜？據(jù)記者了解，嫦娥“五姑娘”將有望實(shí)現(xiàn)我國航天史上四個(gè)“首次”。

首次月面自動(dòng)采樣

作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動(dòng)采樣封裝是嫦娥五號(hào)任務(wù)中最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)。

嫦娥“五姑娘”將在月面選定區(qū)域著陸，在兩天的時(shí)間里使出渾身解數(shù)采集月壤。

為此，來自航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式，精心設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。

她隨身攜帶了鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級(jí)封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將科學(xué)分工，精密配合，采取“深鉆”“淺鉆”“鏟土”“挖土”“夾土”等各種方式，采集約2kg月壤并進(jìn)行密封封裝。

在這過程中，月球表面白天溫度約零上180攝氏度，夜間零下150攝氏度，晝夜溫差約330攝氏度，無人采樣器需在零上150多攝氏度的月球表面工作；同時(shí)，上升器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間溫度高達(dá)數(shù)千度，如何避免燒毀上升器和著陸器都將是對“五姑娘”的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

首次月面起飛上升

當(dāng)嫦娥“五姑娘”完成月面工作后，她就要踏上“回娘家”的旅程。

眾所周知，運(yùn)載火箭在地球起飛是有一套完備的發(fā)射塔架系統(tǒng)的，點(diǎn)火起飛位置也經(jīng)過了精確測算，飛行軌道也是一遍遍計(jì)算好的。而月面起飛就不一樣了。

月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。此外，還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限等難題。月面起飛的時(shí)候，還無法像運(yùn)載火箭一樣在地面發(fā)射前由地面人員完成測調(diào)和確認(rèn)，必須依靠航天器“自力更生”。因此，為確保上升器能夠順利起飛上升，需要建立一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)。

首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對接

人類此前三次無人月球采樣任務(wù)，采用的都是月面起飛直接返回地球的方案；而嫦娥五號(hào)則是采用具有世界先進(jìn)水平的月球軌道交會(huì)對接技術(shù)。

這就需要著陸器托舉上升器實(shí)現(xiàn)月面起飛后，飛到月球軌道上，在這里與軌返組合體交會(huì)對接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器。

經(jīng)過幾十年的實(shí)踐探索，我國在載人航天領(lǐng)域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會(huì)對接技術(shù)，但以往神舟飛船與天宮一號(hào)交會(huì)對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進(jìn)行的，而嫦娥五號(hào)探測器將在距地球38萬公里的月球軌道上完成交會(huì)對接，而且無法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的幫助。因此，這次無人交會(huì)對接不僅在我國尚屬首次，在人類航天史上也是第一次。

為圓這38萬公里之外的“月宮之吻”，嫦娥五號(hào)采取了抱爪式對接。

“所謂的抱爪，形象地說，就像我們手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹說，這套對接機(jī)構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接。

而軌道器和上升器對接完成后，還要進(jìn)行一個(gè)重要?jiǎng)幼鳎褪菍⑸仙魃涎b有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。

“我們利用2套倒三角形構(gòu)形的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動(dòng)到返回器中。這個(gè)構(gòu)形很像我們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進(jìn)不能后退。”

據(jù)對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲介紹，對接全步驟要在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此，他們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開始到交會(huì)對接，全部采用自動(dòng)控制。

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(shí)它的飛行速度是接近11公里/秒的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為8公里/秒的第一宇宙速度。

可別小看了這每秒3公里的差距。就好像扔石頭，從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓扔下來的速度肯定不一樣。一旦速度過猛，返回器一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想。

為解決這個(gè)難題，航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測器的設(shè)計(jì)師們創(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———先讓返回器高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面。

整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣，確保嫦娥五號(hào)能安全順利地降落在四子王旗著陸場。

從立項(xiàng)到發(fā)射，嫦娥五號(hào)經(jīng)歷了10年的艱辛奮戰(zhàn)。圍繞上述關(guān)鍵核心技術(shù)和諸多難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，航天科技集團(tuán)聯(lián)合參研單位集中最強(qiáng)陣容攻克難關(guān)。如今嫦娥五號(hào)探測器已成功發(fā)射，一路高歌奔向月球，讓我們期待她更精彩的旅程。