【解局】深度！一文读懂嫦娥五号
时隔近两年，中国航天器又重返月球。
2019年1月3日，嫦娥四号完成了人类首次月背登陆，玉兔二号月球车如今仍巡视在月球背面的“永夜之地”，入夜则眠，日出则醒。
这次嫦娥五号的任务，就是在月球正面未曾探索过的区域收集尘埃和碎片并将其送回地球，以便于分析月球形成演化历史。如果一切顺利，中国将成为继美国、苏联之后，第三个成功采集月壤的国家，而距离上一次成功采集月壤，已经过去了40多年。
之前，美国“阿波罗计划”靠人力累计从月球运回了380多公斤样品，苏联依靠无人飞行器分3次共获得了300余克，嫦娥五号则希望带回来2公斤月球物质。不要小看这个数字，2公斤的目标决定了嫦娥五号的重量，也决定了选择哪一款火箭将它送往月球。能带回样品已是成功。
一
月球之旅充满了不可预知的风险，既包括地月之间星际旅行所需经历的一切险阻——太阳风、高能粒子和太空相对于人类而言的严酷环境、通信延迟，也包括准备工作中难以估量的困难。
比如，在发射这一环节，嫦娥五号原计划在2017年发射，但因长征五号运载火箭发动机故障而推迟。长征五号“复出”后，已经过两次发射考验，这次也是审慎而乐观。
嫦娥五号任务作为中国探月工程“绕、落、回”三部曲的最终章，它的成功将意味着中国掌握了无人月球探测的最主要基本技术，尤其是掌握从月球返回地球的技术能力，这无疑给载人登月直至月球科研站的设想奠定了坚实基础，意味着中国向航天强国迈出有力的一步。
因为，载人登月乃至载人登火星，所用到的技术不会超过为“绕、落、回”这三种任务形式设计的技术。借用登月第一人阿姆斯特朗的话，可以说，嫦娥五号的一小步，可能是未来载人登月的重要铺垫。
而对天文物理学家和行星科学的研究者来说，嫦娥五号如果有收获，将会像科研跋涉中的一汪清泉那么珍贵，因为月球科学家迫不及待地想研究新样本，他们可以从中了解到月球的演变。
《自然》杂志提到，嫦娥五号样本可以填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。这些来自月球的物质还可以帮助研究人员更精准地确定地球、火星和水星等行星表面的年代。根据计算陨石坑的方法，月球也是为其他行星测年的重要参考。
火箭烈焰（图源：海南省航空摄影协会，摄影师：肖海林）
二
与以往探月任务不同，这次嫦娥五号没有使用中型火箭长征三号系列，而采用长征五号大火箭发射，主要原因是嫦娥五号的探测器重达8200公斤，远超之前的嫦娥系列飞行器，只有长征五号才能把它送入太空。
除了重，嫦娥五号还极具复杂性，堪称国内迄今最复杂的航天器之一。嫦娥五号探测器由上升器、着陆器、返回器、轨道器4部分组成。在飞行过程中，它们会根据不同的任务阶段组成不同组合。
从这4个“器”的名字可以看出各自作用——
上升器携带样品从月球表面起飞，进入环月轨道后，会作为目标飞行器与轨道器和返回器组合体进行对接。着陆器携带上升器降落月球表面后，留在月球。上升器与轨道器、返回器组合体对接后，将月球样品转移到返回器。随后，上升器再次分离，成为环月飞行的“卫星”。轨道器将会护送一程，最终，返回器独自携带样品返回地球。
在这些环节中，有些是采用已有的成熟方案，有些则是新技术。尽管在近地轨道，飞行器的交会对接已由神舟飞船和天宫飞行器进行过多次，但在月球轨道上还是第一次。就最新最关键的技术环节而言，月面采样、月面上升、交会对接、高速再入返回地球都属于此类。
对嫦娥五号的设计研制人员来说，嫦娥五号全身都充满着亮点，但这些亮点在成功之前也都是难点和挑战。
就像科学家评价的，这项任务在技术上具有挑战性，很多事情都可能出错。着陆器可能会坠地或翻倒，途中样本可能会从存储器中逃逸，但“我们都希望它能成功。”
三
“着陆点的选择极为明智。”这是地质学家对嫦娥五号的判断。
从200公里月球轨道开始，嫦娥五号着陆器和上升器将分离并下降到月球正面风暴洋西北部地区1300米高的火山群。有月球研究学者形容，从地球上看起来，这里更像是广阔、黑暗的熔岩平原。
嫦娥五号登陆点即采样点就在此地。过去，没有人类或是探测器到访此处，这里和嫦娥三号的月球虹湾着陆点的纬度基本相当。
为何选择这个地点？科学方面的考虑是，根据目前研究成果，这块区域形成的地质年代较短，约37亿年左右，能帮助科学家对月球形成演化过程有更为整体的了解。
从探月工程实现角度来看，采样点的月球纬度高低会影响太阳光照强度、能量保障、温度，这涉及到探测器的热控制。此外，上升器上升后要跟轨道器、返回器组合体在月球轨道对接，通过月球着陆区经纬度的选择，尽量和轨道器所在的太空轨道面一致，有助于减少燃料消耗。
嫦娥五号上升器和着陆器在月面站稳后，将同时用两种方式采样：机械臂在月球表面抓取、钻具钻取。随后样本将被将储存于上升器，以便升空。
四
一切准备就绪后，嫦娥五号上升器将从月球起飞。
若在地球上发射，有专门的发射塔架，有相隔几千乃至几万公里的陆地测控站，有海上航天测量船和天上的天链卫星。但在距离地球38万公里以外的月球，如果着陆地方不够平坦，不可能像调整发射塔架一样调整着陆器姿势。嫦娥五号上升器从月球起飞，可视为一次从月球发射航天器的无人试验。
一旦上升器回到月球轨道，样本需要被转移到返回器上。样本的顺利转移有一个前提：上升器能和轨道器与返回器的组合体精准对接。
两个航天器在空间的交会对接，好比浩瀚太空中“穿针引线”。上升器和轨道器、返回器组合体的重量相差较大，如果采取触碰式对接，一旦控制不好速度和彼此的位置，上升器很可能被“撞飞”。因此两者的对接采用“搂紧”方式，类似双臂拉住单杠随后收紧。这种方式对精度要求极高，达到厘米级。
解决“精度”难题，靠的是精确无比的导航控制技术。但距离地球38万公里之遥的月球上空，没有GPS和北斗导航系统这样的卫星导航星座。要精确预测两个航天器在月球轨道上飞行的位置和速度，还取决于对月球引力场掌握的程度。在寂静无声的月球上空，两器的精准对接，将仰仗地球上的深空测控手段和嫦娥五号自己携带的敏感器来实现。
现在，剩下的挑战，就是怎样把月球样品容器转移到轨道器里的返回器，完成样品的转移。月球样品小，但转移通道和进入容器也十分狭小。用如此小的动作精确完成转移，这在人类航天历史上还没有出现过。
当返回器“吞入”样品、关上盖子，轨道器和返回器组合体将与上升器分离，在预定时机加速进入月地转移轨道，踏上回家之路。
发射现场（图源：新华视点）
五
在中国历次探月任务中，有过航天器在月球轨道上长期飞行，或是最后完全脱离月球引力场去更远的星际空间，从月球轨道上“逃逸”，安全回到地球，是第一次。因此，精确设计返回轨道是嫦娥五号返回器顺利着陆在内蒙古四子王旗预定着陆点的关键保障，但对轨道设计人员来说，非常困难。
对地面测控与回收系统来说，从地球上看月球东升西落只有十几个小时。为了始终能够“看见”航天器和月球，需要建设更多深空测控站，实现全天候对嫦娥五号凝望。
当嫦娥五号轨道器携返回器由月球向地球呼啸而来，在接近地球大约5000公里高度时将返回器释放。随后返回器将独自以每秒约11公里的第二宇宙速度返回地球。这是能够脱离地球引力场束缚的最小速度，也比从近地轨道返回地面的神舟载人飞船返回舱要快得多。
为解决这个难题，科技人员设计了半弹道跳跃式返回办法，相当于在太空“打水漂”。
返回器进入地球大气层，减速后将再次跳出大气层并第二次进入大气层。返回器再入地球大气层的速度将从十几公里每秒降低到七公里多每秒，以安全落地。
为了化解风险、验证方案，中国2014年将再入返回飞行试验器即嫦娥五号T1发射升空，3天后绕月并返回地球。嫦娥五号T1使中国成为第3个能够成功让航天器从月球轨道重返地面的国家。
12月中下旬是冬至前后，一旦月球“挖土”使命达成，嫦娥五号归来正逢深夜，内蒙古四子王旗的着陆点很可能已是白雪皑皑，搜索返回器的任务将在寒冷的黑夜进行，但迎接嫦娥五号归来的人们，心一定是火热的。
从人类航天史的角度审视，中国探月工程是人类向外太空探索乐章中的一段节拍。就像中国探月科学家所说的，探索月球和地外天体是人类共同的使命，既由人类的探索天性和科技进步所驱动，也同时驱动着科技发展，推动着人类为共同的命运而不断飞翔。我们是这一壮美乐章的共同谱写者。
文/余建斌、冯华
编辑/云歌