北京时间2020年11月24日凌晨4时30分，第五枚长征五号火箭在海南文昌成功发射嫦娥五号月球探测器。嫦娥五号将实现中国人登月梦想的第三步——月面采样返回。这是中国航天领域迄今为止最复杂、难度最大的任务。为此，堂主邀请知名科普作家唐驳虎来为大家讲解嫦娥五号任务的整个过程，大家看在接下来看直播就不用一头雾水了。
图：这是中国航天领域迄今为止最复杂、难度最大的任务。可以说，这就是一次不载人、小型化（约1∶5.5）的“阿波罗”登月。
嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成，发射总重量8.2吨，与45吨的阿波罗飞船四大功能舱一一对应。四器使命各不同。飞行有轨道器，落月有着陆器，月球起飞有上升器，返回地球有返回器。从发射到返回20多天时间里，它们将经历多次分离对接。采用这样的构型，也可以为载人登月做工程验证。而且最后的返回着陆场也是与神舟共用。这这说明嫦娥五号除了取样返回外，验证载人登月流程，也是目标之一。嫦娥五号月球取样返回，是对航天器研制、运载、发射、测控、地面各系统综合能力的大检阅，是一个国家航天实力的综合体现。对中国来说，是重大跨越，难点、挑战非常多。简而言之，嫦娥五号整个任务的测控过程非常复杂，大约如下：3，上升器着陆器组合体降落到月面，返回器轨道器组合体继续绕月巡飞4，上升器着陆器组合体采集月壤，月壤被放置在上升期的月壤存储罐内5，上升器与着陆器分离，上升器离开月面进入绕月轨道，着陆器留在月面6，在绕月轨道上，上升器与返回器轨道器组合体对接，并将月壤存储罐转移到返回器8，返回器轨道器组合体进入地月转移轨道，向地球返航10，返回器重返地球大气层，通过减速伞减速，降落到地面。在推力强大的长征五号火箭支撑下，嫦娥五号发射升空后，直接进入地月转移轨道。地月转移过程耗时约4天半。28日到达近月点后进行近月制动 ，嫦娥五号将被月球引力捕获，进入一条高度约200公里、倾角43度的环月轨道。随后，嫦娥五号一分为二，分为继续在月球轨道运行的“轨道器、返回器组合体（轨返组合体）” ，以及准备登陆月球的“着陆器、上升器组合体（着上组合体）”。环月部分将继续留在200公里环月轨道运行，等待上升器带着月球的月壤地质样本归来。期间，欧洲航天局地面测控站将协助嫦娥五号探测器测控任务。登月部分将转入近月点15公里、远月点200公里的着陆准备轨道，进行为期三天左右的环月准备飞行。这时预定着陆地区已经日出，光照、阴影、温度等较为适宜。可择机实施动力下降和月面软着陆。登月部分总质量约3.2吨，下降的主发动机为最大推力7500牛的YF150变推力发动机，推力可在1500~7500牛顿间调整。由于月球上的重力为地球上的1/6（1.63 m/s 2），登月部分受到的重力仅有5200牛左右，而非地球附近的9.8倍或者简化的10倍。因此，7500牛发动机足以承载3.2吨的登月部分平稳下降。这部发动机也用于探月二期的嫦娥三、四号着陆月球。经过减速、接近、悬停、缓速下降，在机器视觉全自主避障系统、7500牛变推力发动机与水平机动推力器综合作用下，嫦娥五号可实现优于0.7公里的月面着陆精度，并且实现精准避障。在距离月面2米高度时，7500牛变推力发动机提前关机，登月部分在月球重力作用下着陆，目的是减轻发动机尾流冲起的月尘。由于月球重力只有地球的1/6，这个高度跌落的冲击力相当于地球上的33厘米，时间也放慢为1.6秒。最后的着陆能量由四条着陆支撑腿吸收缓冲，这个部件用高效吸能合金制造，能够确保着陆器在设定夹角内不倾覆。从地球望去，月球的表面相当大一部分呈现深色。早期的天文学家认为，月球表面的阴暗区是广阔的海洋，还给它们起了风暴洋、净海等一系列名字。当然这是错误的，这些阴暗区其实是由火山喷出的玄武熔岩构成的平原地带，因为对阳光反射率较低，因此看上去显得阴暗。在月球汇聚、形成的诞生早期，月球内部和地球一样拥有火山活动。月球的引力仅为地球的1/6，这意味着月球火山熔岩的流动阻力，比地球更小，流畅的熔岩流很容易扩散开，随后缓慢冷却凝固，因而形成了宽阔、平坦、光滑的玄武岩平原。除了玄武熔岩构造，月球的阴暗区，还存在其他火山特征。最突出的，例如蜿蜒的月面沟纹、黑色的沉积物、火山园顶和火山锥。不过，这些特征都不显著。因为引力小让喷发出的火山灰碎片能够落得更远，使得熔岩表面更光滑。因此，月球火山的火山锥并不高耸。月球上高耸显著的地貌特征，属于陨石撞击的撞击坑。
图：这张月球上的吕姆克山照片是阿波罗15号的宇航员于1971年拍摄的。
月球的火山活动历史是月球热历史的最直观记录者，是月球科学的主要问题之一。月球火山的活动期在30亿到40亿年之间。典型的阴暗平原有35亿年的历史，这也正是月球火山喷发的高峰期。但大部分的月球火山活动在32亿年之前，就减弱并停止了。
图：探月工程三期再入返回飞行试验器——又称嫦娥5号飞行试验器（CE-5T1），2014年拍摄的地月合影
最晚的月球火山活动，根据遥感分析，大约分别是2.8亿年和1.2亿年前的孤例。也有科学家声称可能100万年前还有月球火山喷发，但未得到科学界承认。也就是说，现在的月球，无论是月表还是内部，都是一片死寂的世界。
图：箭头所指为嫦娥三号着陆区的虹湾 圆圈处为嫦娥五号着陆区吕姆克山，两者相距900公里。
而且，迄今为止，人类仅获得2片晚于30亿年的月球样本。大部分样品的地质年龄都介于31亿至44亿年之间。中国的嫦娥五号将要运返地球的月球样本，应该是有史以来人类获得的最年轻的月球样本，是月球活动最新、也是最后的证据。吕姆克山（Rümker）是月球正面西北部的一片火山结构，位于风暴洋边缘，月面坐标为北纬40.8°、西经58.1°。1935年以德国天文学家卡尔·路德维希·克里斯蒂安·吕姆克的名字命名，这也是月球表面最令科学家关注的八大火山区之一。其整体轮廓近似椭圆形，长径约70公里，面积约3700平方公里，高出周边月海平原600~1300米。这一区域有大量与火山活动有关的地貌，如火山穹窿、火山锥、熔岩流、月溪、皱脊等，已辨明的火山口遗迹有33座之多，直径从约2公里到大于10公里，高度可达400米。但最令科学家好奇的是，据遥感估算，在这片火山区域，熔岩及火山活动的历史大约只有13亿至20亿年。吕姆克山是月球最晚近的大型火山活动区，对研究月球历史具有重要意义，一直是研究的热点。
图：由于吕姆克山火山区地形复杂，不一定直接降落火山口地区，而是可能在附近的平原地带取样，获得熔岩样本（图上为备选区域）
但一直以来都没有人类探测器着落到这片区域，科学家只能通过遥感手段去“猜”。这次嫦娥五号月球探测器的着陆-采样-返回目标选在了吕姆克山，将大大深化月球成因和演化历史等科学研究，具有重大意义。嫦娥五号的月面工作时间设定为48小时，任务目标是抓取2公斤以上月壤。钻取采样系统由“岩心钻探机”和“机械取样器”组成。
岩心钻探机可以钻取月面下2米深度的月岩样本。为应对钻进方向上可能遇到的各种复杂工况，驱动钻杆的电机功率不低于600瓦——这是吸取了苏联的失败教训。机械取样器则由四自由度机械臂与末端采样器组成，基于机械臂功能可以实现大范围多样化采样。
采样数量主要受限于采样、包装、转移等环节，而非上升级运载能力。预计为2公斤起步，最多可能达到10公斤。在采集月壤样本之后，将送入上升器中，予以第一次封装，防止在离开月球的过程中出现损耗。嫦娥五号的着陆器还将携带3个科学有效载荷，包括一套用于记录着陆位点的相机、一个用于绘制地下表面图的探地雷达，以及一个分光计，用来测定着陆点处矿物组成，并计算出月球土壤中被锁定的水分含量。有了这些实地测得的数据和返回地球进行进一步研究的月球样本，科学家将能够对比这两种不同方式得到的结果。携带月壤样本、用于月面起飞的上升器重量达509公斤，加上燃料大约1吨以内，为此需克服1600牛的月球引力，并加速到每秒2.4公里的月球逃逸速度。上升器配备的是新研制的3000牛的上升发动机。在点火后，上升器与着陆器分离，飞离月球表面，重新进入高200公里的环月轨道，与环月部分自主交会、重新组合。它需要与返回器对接，进行第二次样品转移，并由耐热的返回器穿越地球大气层，送返地球。紧接着环月部分将进入为期6~10天的环月等待飞行，目的是择机实施加速机动，进入月地转移轨道。当112小时月地转移能量最优轨道窗口到来时，轨道器的3000牛发动机点火，切入月地返回轨道。当距离地球约5000公里时，轨道器协助返回器建立再入返回姿态。随后轨道器和返回器分离，返回器单独飞向地球，由地球引力进入再入返回航路。从月球上的返回再入，与中国以往的返回式卫星和神舟飞船返回舱回收技术相比，具有很大的不同。返回式卫星和神舟飞船的返回舱是从距地球300多公里的近地轨道，以7.6公里/秒的第一宇宙速度返回，所承受的再入大气烧蚀温度在2000摄氏度左右。探月三期返回器的返回是在距地球5000公里的高度上，实施探测器的任务舱与返回器分离，经历20分钟，以11公里/秒的近第二宇宙速度再入大气层，与大气摩擦的烧蚀温度将高达2760摄氏度。如果用空中“踩刹车”主动减速的方式，所需要的燃料又要占返回质量的一半以上，非常不经济适用。为此嫦娥五号返回采用高速半弹道跳跃式返回轨道，就像打水漂一样，返回器第一次再入大气后，在距离地面接近60公里时，利用大底前端形成的弓形激波，再度反弹回太空，飞行高度增加到120公里，脱离大气层，停止气动加热。其后，再二次再入大气层，这时的返回器再入速度将与神舟飞船返回舱一样。这样做的目的主要是为了拉长返航时间、延缓加热密度峰值，充分减速、降温。但这也对飞行器控制提出了很高的挑战。为专门验证再入返回设计的可行性，2014年10月24日凌晨2点，在西昌卫星发射中心用长征-3C改二型运载火箭，专门发射了探月工程三期再入返回飞行试验器——又称嫦娥5号飞行试验器（CE-5T1）。CE-5T1飞行试验器由返回器和服务舱两部分组成，发射重量2450公斤。其中服务舱是以嫦娥二号卫星平台为基础改进设计，重量2117公斤，主要任务是为返回器提供支撑平台、电源和信息通道。返回器与嫦娥五号正式任务的返回器状态基本一致，采用钟罩侧壁加球冠大底构型，重量333公斤。CE-5T1飞行试验器实际飞往了月球轨道，在绕月飞行后再入返回地球，完整模拟了正式任务中的月地转移、返回器与轨道器分离、返回再入飞行过程。（CE-5T1服务舱在执行完主任务分离后，又飞向了地月平动点L2，并绕L2点飞行约40天，进行轨道控制和通信试验，是中国第一颗绕地月L2点飞行的探测器，为月球中继星“鹊桥”做了预先实验）2014年11月1日6时42分，CE-5T1返回舱在内蒙古四子王旗，也就是历次神舟飞船的预定区域顺利着陆，试验获得圆满成功。这是中国航天器第一次从月球轨道飞返地球。使中国成为继苏联和美国之后，成功回收探月航天器的第三个国家，为确保嫦娥-5任务顺利实施，奠定了坚实的基础。从任务操作来看，嫦娥五号的实际探月飞行可用“2+2+2+2”概括。根据计划，整个嫦娥五号任务预计持续23天左右，返回地球时间将在12月的16或17日。人类最近一次从月球取得地质样本，还是在1976年8月22日。苏联的月球24号任务，带回来约170克。到马上要发的嫦娥五号，已经是44年后了。2020年12月将会有两次太空采集的样本返回地球，一个是日本JAXA隼鸟2号于2018年末从162173号小行星（中文名称龙宫）取回的样本，取回的样本质量最高不会超过10克，预计样本舱于12月6日在澳洲沙漠着陆。另一个就是中国的嫦娥五号，预计取回的样本质量将达2~5公斤。目前国际上仅苏联的“探测器”系列实现过采用“半弹道跳跃式再入返回”方式进入地球大气层，而苏联的“月球”系列、美国“星尘号”和“起源号”，日本的“隼鸟号”等深空探测器均采用了简单的弹道式再入方式。1969年7月至1972年12月，美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务，除了阿波罗13号因发生故障中途返回，其余6艘飞船皆完成登月，成功将12名航天员送上月球，共带回月壤和月岩样品约381.公斤。其中最后一次的阿波罗17号任务，还专门搭载了地质学博士哈里森·施密特，非常有针对性地采集了110.5公斤的样本。1970年9月至1976年8月，苏联先后发射月球16号、20号和24号，开展了3次月球无人自动采样返回任务，总共带回326克月球样品（三次分别为101、55、170克）。之所以采样重量会出现超过1000倍的差别，是因为当时的苏联电子工业水平落后，无法掌握月球轨道无人交会对接技术。所以3次无人月球采样任务采用的都是从月面起飞、直接飞返地球、简单粗暴的两级方案。这样，上升器需要克服返回舱保护层与大量燃料带来的巨大负重，因此极大降低了返回舱有效行器采样重量。这导致苏联“月球”系列发射重量5.8吨，却只能采样100多克样品返回。
图：嫦娥五号整体仅比前苏联的月球16号重不到一半，但返回重量却是月球16的10倍，可携带的月壤重量更是高出20~50倍。
在美苏两国的探月都已尘埃落定之后，1978年5月，美国总统安全事务顾问布热津斯基访华时，向中国赠送了区区1克的月球岩石样品，小小的样品包裹在一个有放大镜的有机玻璃盒内。而这仅仅是美国获得381.7千克月球样本中极其微小的部分。美国人送月球岩石是一次国际性礼节活动，当时对全球180个国家和地区都赠送了180克月球岩石，每个国家1克。当国家得知欧阳自远团队正在作月球地质研究，就通知他们到北京取回样品并进行分析测试。1978年欧阳自远在超净手套箱内亲手把1克阿波罗月岩样品砸成两半，各0.5克。这1克样本被当时的中国科学家奉若珍宝，切割下0.5克用于研究，另外0.5克则保存在北京天文馆做大众科普，希望民众坚持嫦娥探月的梦想。而就是这微不足道的0.5克样本，他们联合了中国科学院原子能研究所、原子核研究所、长春应用化学研究所、高能物理研究所等共同进行研究。最终用4个月时间确认，这份样品就是阿波罗17任务所采集的B型高钛月海玄武岩，样品编号为70017-291。他们还补充了70017的化学成分、矿物成分、表面结构、形成环境等新资料，共发表研究论文14篇，极大地促进了中国月球科学的发展和微量微区分析技术的进步。从毫无资料的0.5克样本独家分析出这么多数据，中国科学家的测试能力和研究水平还是让美国同行很信服。而作为探月工程首席科学家，在嫦娥五号任务之后，欧阳自远院士再也不用纠结0.5克月岩的事情了。中国探月工程采用“绕、落、回”三步走发展战略，每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。每一步制造两颗探测器，既是备份，也是成功后的深化拓展研究。“绕”月探测是中国探月的第一步。2007年10月24日、2010年10月1日，执行绕月探测测绘任务的嫦娥一号、嫦娥二号发射升空。嫦娥一号获取了全月图，以及月表化学元素分布和矿物含量、月壤分布、近月空间环境等数据，填补了中国在探月领域的空白。2009年3月1日，嫦娥一号受控撞击了月球丰富海区域。嫦娥二号对未来的预选着陆区进行高分辨率成像，同时获取更丰富和准确的探测数据。设计寿命期满后，又进行了一系列拓展试验，开创了中国航天一次发射开展多目标多任务探测的先河。“落”月探测是第二步，2013年12月14日，嫦娥三号在月面风暴洋的虹湾软着陆。由于对恶劣环境估计不足，嫦娥三号“玉兔号”月球车在第二次月夜休眠后，行走传动装置出现故障，无法继续前进。在原地工作继续两年半后停止任务，但着陆器仍在工作。嫦娥四号原来是嫦娥三号的备份，由于嫦娥三号基本完成了任务，所以嫦娥四号改为人类第一个在月球背面着陆的探测器。2018年5月21日，中国发射世界首颗运行在地月L2点轨道的月球中继星“鹊桥”，并于6月14日进入使命轨道。同年12月8日，嫦娥四号升空。迄今为止，嫦娥四号及经过改进的“玉兔二号”月球车已经在月面工作了680个地球日、24个月昼，累计行驶近570米。利用嫦娥四号传回的探测数据，中国科学家获得了大量科学新发现，例如首次揭示月球背面地下结构、为解答月幔物质组成的问题提供直接证据等。取样返“回”则是第三步。包括正在进行的嫦娥五号和未来的嫦娥六号。在嫦娥五号获得成功后，嫦娥六号将选择在难度更大的月球南极进行采样返回，可能解答南极是否有水、有多少水的重大问题。嫦娥七号，将是在月球南极进行的一次针对月球的地形地貌、物质成份、空间环境的综合探测任务；嫦娥八号，除了继续进行科学探测试验外，还要进行一些构建月球科研基地的前期探索。如果再把运载能力和探测器扩大，并增加生命保障系统，提高安全性和可靠性，中国就具备了载人登月的能力。后续再由70吨LEO载重的921大型火箭，乃至130吨LEO载重的长征九号巨型火箭，去分别实现载人登月、建立小型国际月球科研站、有人短期值守月球基地的任务。最终实现2036年至2045年间建成综合的大型月球基地，实现人类长期驻留，并完成全面、大规模的科学探测、技术试验与月球资源开发利用，并保持定期地月往返“航班”交流。中国航天一步步从小到大、由弱向强所取得的成绩，也是中国梦的重要组成部分。2018年和2019年，中国共实施航天发射73次，连续两年居世界航天发射次数首位，这充分体现了中国经济、科技的实力。只有强大的国家，才能有余力去实施太空探索的使命。为此还需要继续不懈地奋斗。（文/唐驳虎）
