2020年11月24日凌晨4時30分，由航天科技集團(tuán)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(wù)，意義重大、影響深遠(yuǎn)、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(wù)的核心，嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復(fù)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(wù)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(wù)目標(biāo)。
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(fù)雜，技術(shù)性能要求嚴(yán)格，研制工作事關(guān)我國探月三期工程的成敗，諸多難點、風(fēng)險點為研制團(tuán)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(wù)，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(wù)的實施帶來災(zāi)難性的后果。
●控制過程細(xì)節(jié)嚴(yán)謹(jǐn)。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(jī)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(xì)，都將影響任務(wù)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(jìn)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(dǎo)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(wù)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(fù)雜的技術(shù)環(huán)節(jié)，都是對研制團(tuán)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(yīng)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(yán)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(wù)技術(shù)難點主要表現(xiàn)在軌道設(shè)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(shè)計復(fù)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(shè)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(fù)雜，軌道設(shè)計難度大；同時，軌道設(shè)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(shè)計有直接的影響。在標(biāo)稱軌道設(shè)計方案的同時，還需要在推進(jìn)劑資源受限的情況下，制定各種故障預(yù)案，對軌道設(shè)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(wù)的核心環(huán)節(jié)之一。月面采樣封裝任務(wù)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(wù)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(wù)時序緊張、機(jī)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(zhǔn)與起飛平臺姿態(tài)不確定、發(fā)動機(jī)羽流導(dǎo)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(dǎo)彈一樣在地面發(fā)射前由地面人員完成測調(diào)和確認(rèn)，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(zhǔn)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(jī)在受限空間點火引起的復(fù)雜邊界條件下羽流力熱效應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(jī)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(shè)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(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)采用弱撞擊式對接機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中必須同時考慮樣品轉(zhuǎn)移裝置的設(shè)計，保證對接精度滿足樣品轉(zhuǎn)移的相關(guān)要求。對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計是對接機(jī)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(jī)動，使軌返組合體進(jìn)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(yán)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(wù)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(wù)的成敗至關(guān)重要。嫦娥五號探測器再入返回設(shè)計繼承了飛行試驗器的設(shè)計，任務(wù)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(fēng)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(chǔ)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(wù)所涉及到的20余項關(guān)鍵技術(shù)和總體設(shè)計優(yōu)化技術(shù)、地面試驗驗證技術(shù)，實現(xiàn)了方案設(shè)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(shè)計合理，各項功能性能滿足任務(wù)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(wù)院正式批復(fù)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(shè)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(dá)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！
