2020年11月24日凌晨4時30分，由航天科技集團五院（以下簡稱五院）抓總研制的嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(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)，將實現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回任務，意義重大、影響深遠、舉世矚目。這也是五院成功發(fā)射的第300顆航天器。
▲嫦娥五號探測器
作為我國探月三期工程采樣返回任務的核心，嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復雜的航天器系統(tǒng)之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4器組成，包含15個分系統(tǒng)。在此次任務中，嫦娥五號將實現(xiàn)月面自動采樣返回，月球樣品地面分析研究等任務目標。
發(fā)射成功后，嫦娥五號將經(jīng)過11個階段、20余天的在軌飛行過程，采集約2kg月球樣品返回地球。
諸多難點及鮮明特點
嫦娥五號探測器具有著陸器落月、月表采樣、月球起飛、軌道對接、樣品轉(zhuǎn)移、返回器返回等多個環(huán)節(jié)，飛行程序非常復雜，技術(shù)性能要求嚴格，研制工作事關(guān)我國探月三期工程的成敗，諸多難點、風險點為研制團隊帶來巨大的挑戰(zhàn)。
●組合體分離面多。該探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成。相較于神舟飛船和嫦娥三號均只有兩個部分需要分離，即兩個分離面，嫦娥五號探測器由于一次發(fā)射要完成采樣與返回任務，因此，技術(shù)要求上決定了該探測器具有軌道器和著陸器組合體、著陸器和上升器組合體、軌道器和返回器組合體、軌道器和支撐艙以及軌道器與對接支架5個分離面，這些分離面均只有一次性工作的特點，任何一次分離出問題，都將給任務的實施帶來災難性的后果。
●控制過程細節(jié)嚴謹。嫦娥五號無人采樣器通過采樣鉆頭深入月球內(nèi)部和采樣機械臂月球表面采樣兩種方法獲取月球樣品后，需要轉(zhuǎn)移到上升器里，上升器與軌道器對接后，又要將上升器里面的樣品通過軌道器轉(zhuǎn)移到返回器里面，整個環(huán)節(jié)必須分毫不差，絲絲相扣，天衣無縫，任何環(huán)節(jié)控制不精細，都將影響任務的完成。
●技術(shù)環(huán)節(jié)多，研制難度大。整個月面采樣返回過程涉及到月表樣品轉(zhuǎn)移、月面垂直上升、月球軌道交會對接等關(guān)鍵技術(shù)。雖然我國已掌握空間交會對接技術(shù)，但以往神舟飛船與天宮一號交會對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進行的，而嫦娥五號探測器將在距地球38萬公里的月球軌道上，完成上升器與軌道器的交會對接，無法借助導航衛(wèi)星的幫助，這就需要突破月球軌道精確測控技術(shù)、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對接等技術(shù)；同時，嫦娥五號探測器實施月表采樣返回任務后，著陸器將留在月球表面，上升器留在月球軌道，軌道器留在地球軌道，最終，返回器攜帶樣品返回地球表面，如此復雜的技術(shù)環(huán)節(jié)，都是對研制團隊的全新挑戰(zhàn)。
●溫度控制要求高。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，無人采樣器既要應對300多度溫差的月面生存挑戰(zhàn)，工作時還要承受高溫炙烤，對產(chǎn)品性能和可靠性提出了嚴峻考驗。
●減重壓力大。由于運載火箭的運載能力對嫦娥五號探測器的重量有嚴格的約束，處于控制重量的需要，必須對探測器所有分系統(tǒng)進行“瘦身”，同時，又要減少備份產(chǎn)品，這就要求在無備份的情況下高度可靠的工作，研制隊伍面臨著最大限度的減輕重量，又要確保質(zhì)量可靠性的雙重壓力；還有，如何對上述難點所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行試驗驗證，也需要一系列的技術(shù)創(chuàng)新和探索。
六大關(guān)鍵環(huán)節(jié)
嫦娥五號探測器任務技術(shù)難點主要表現(xiàn)在軌道設計、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、月地入射、地球大氣高速再入返回等六個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
★關(guān)鍵一：軌道設計復雜。嫦娥五號探測器飛行階段多，各階段軌道方案耦合緊密，軌道設計受到測控、運載和著陸場的限制，約束條件多，各飛行階段軌道在控制和測定軌精度能力有限的情況下，匹配精度要求高；飛行過程還涉及月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)移等新的飛行階段，飛行過程復雜，軌道設計難度大；同時，軌道設計結(jié)果對采樣點選擇及熱控、供配電等分系統(tǒng)的方案設計有直接的影響。在標稱軌道設計方案的同時，還需要在推進劑資源受限的情況下，制定各種故障預案，對軌道設計是一個全新的挑戰(zhàn)。
★關(guān)鍵二：月面采樣封裝技術(shù)新。采樣封裝是嫦娥五號月球無人采樣返回任務的核心環(huán)節(jié)之一。月面采樣封裝任務采用表鉆結(jié)合、多點采樣的方式，采樣裝置為全新研制，技術(shù)新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束；采樣期間面臨月面高溫的工作環(huán)境；同時采樣任務時序緊張、機構(gòu)動作多、不確定因素多。
★關(guān)鍵三：月面起飛上升驗證難。上升器基于著陸平臺的月面起飛需解決月面起飛初始基準與起飛平臺姿態(tài)不確定、發(fā)動機羽流導流空間受限、地月環(huán)境差異帶來的驗證技術(shù)難度大等問題。由上升器、著陸器和月面構(gòu)成的月面起飛系統(tǒng)，其初始狀態(tài)源自著陸上升組合體著陸月面的場坪條件、著陸的姿態(tài)和方位等條件，月面起飛初始條件無法像運載火箭、導彈一樣在地面發(fā)射前由地面人員完成測調(diào)和確認，而必須依靠自主定位定姿方法確定起飛的初始狀態(tài)。面對技術(shù)難題，需要明確起飛穩(wěn)定性的各項因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現(xiàn)精確入軌。與常規(guī)的航天器面臨的羽流影響不同，起飛上升發(fā)動機在受限空間點火引起的復雜邊界條件下羽流力熱效應問題突出，需要通過大量的地面仿真和試驗對其開展驗證。月面環(huán)境的特殊性，低重力、高真空等環(huán)境模擬使得地面驗證較為困難。
★關(guān)鍵四：月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移自主要求高。與近地軌道交會對接不同，嫦娥五號交會對接無衛(wèi)星導航信號支持，對接和樣品轉(zhuǎn)移過程自主性要求高。需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計；同時，月球交會對接過程中，地面測控支持能力受限，受到對接機構(gòu)大小的限制，對接精度的要求較高。交會對接飛行過程階段劃分、近距離高精度相對位姿控制和相對測量敏感器的輕小型化設計是月球軌道交會對接GNC的技術(shù)難點；嫦娥五號探測器的對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)采用弱撞擊式對接機構(gòu)，機構(gòu)中必須同時考慮樣品轉(zhuǎn)移裝置的設計，保證對接精度滿足樣品轉(zhuǎn)移的相關(guān)要求。對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)一體化設計是對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)研究中的難點。
★關(guān)鍵五：月地入射精度要求高。月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌返組合體進入月地轉(zhuǎn)移軌道，由于月地關(guān)系的不斷變化，月地入射窗口及入射點位置均受到嚴格約束，為理論上的零窗口；同時，月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點精度，影響返回器的安全著陸，控制精度要求高。
★關(guān)鍵六：地球大氣高速再入返回速度高。嫦娥五號任務中，最終攜帶樣品以接近第二宇宙速度返回地球的返回器對任務的成敗至關(guān)重要。嫦娥五號探測器再入返回設計繼承了飛行試驗器的設計，任務的再入航程與飛行試驗器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定的不確定性，有可能影響返回器的質(zhì)量特性，對返回器GNC控制的健壯性提出了較高的要求。
艱辛的研制歷程
從立項到發(fā)射，嫦娥五號經(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、風險點，五院在充分研究繼承五院低軌道衛(wèi)星、高軌道衛(wèi)星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸器與返回等現(xiàn)有航天器研制技術(shù)精華的基礎上，聯(lián)合參研單位集中最強陣容攻克難關(guān)，先后突破了月表采樣任務所涉及到的20余項關(guān)鍵技術(shù)和總體設計優(yōu)化技術(shù)、地面試驗驗證技術(shù)，實現(xiàn)了方案設計步步優(yōu)化，減輕重量克克計較，多種手段摸清規(guī)律，數(shù)十項試驗驗證全方位考核性能，從而，確保了嫦娥五號探測器方案設計合理，各項功能性能滿足任務的要求，研制過程技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量受控。
回顧三千六百多個日夜，一個個重大的時間節(jié)點，一幕幕難忘的重要事件，歷歷在目。
2011年1月
國務院正式批復立項，嫦娥五號探測器啟動研制工作
2012年12月
完成嫦娥五號探測器系統(tǒng)方案階段研制總結(jié)評審，轉(zhuǎn)入初樣研制階段
2015年12月
完成嫦娥五號探測器系統(tǒng)初樣研制總結(jié)及正樣設計評審，轉(zhuǎn)入正樣研制階段
2020年7月
嫦娥五號探測器空運抵達發(fā)射場，此后開展了將近5個月的發(fā)射場工作
2020年11月24日
嫦娥五號探測器一飛沖天，發(fā)射取得圓滿成功。
讓我們
共同期待
嫦娥五號后續(xù)的精彩旅程
共同祝福
她榮耀歸來！
