中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站 柴雅欣
12月4日，國家航天局公布探月工程嫦娥五號探測器在月球表面國旗展示的照片。這是繼嫦娥三號、四號任務(wù)后，五星紅旗又一次展現(xiàn)在月球表面，同時也是五星紅旗第一次月表動態(tài)展示。這是嫦娥五號著陸器和上升器組合體全景相機拍攝的五星紅旗在月面成功展開的畫面。（國家航天局供圖 國家天文臺提供技術(shù)支持）
38萬公里外，一抹“中國紅”振奮人心。
12月3日23點10分，嫦娥五號上升器月面點火，3000牛發(fā)動機工作約6分鐘后，順利將攜帶月壤的上升器送入預(yù)定環(huán)月軌道，實現(xiàn)我國首次地外天體起飛。起飛前，國旗展示系統(tǒng)成功在月面打開，這是中國首次在月球展示“織物版”五星紅旗。
至此，嫦娥五號結(jié)束月面工作，踏上回鄉(xiāng)之路。在月面約48小時，嫦娥五號都做了什么？有哪些收獲？未來十余日，嫦娥五號載“土”歸來，還要勇闖幾道關(guān)？
一面國旗，十年見證，正負150攝氏度溫差下仍保持本色
每當(dāng)旭日東升，中華大地，五星紅旗迎風(fēng)招展。12月3日這天，有一面五星紅旗非同尋常，竟在月球上“紅”了一回。
點火起飛前，嫦娥五號著陸器上升器組合體實現(xiàn)月面國旗展開，這是我國在月球表面首次實現(xiàn)國旗“獨立展示”。回傳影像顯示，在陽光照耀下，“中國紅”格外鮮艷。
這是亮相月球的第一面“織物版”五星紅旗。2013年12月，嫦娥三號探月，嫦娥著陸器和玉兔月球車互相拍照，月球車“胸前”的五星紅旗格外奪目。不過，那時還是“噴涂版”。這一次，嫦娥五號這面“織物版”五星紅旗是一面真正的旗幟。
五星紅旗能在月球上獨立展示，主要依靠月面國旗展示系統(tǒng)輔助。該系統(tǒng)由月面國旗、壓緊釋放裝置、展開機構(gòu)三部分組成，長約半米。系統(tǒng)在折疊狀態(tài)下隨探測器升空，著陸月球后按照指令解鎖打開。
宇宙中電磁輻射強，月表環(huán)境惡劣，溫差可達正負150攝氏度，這就決定了普通五星紅旗無法勝任。從2011年國旗展示系統(tǒng)開始預(yù)研立項到2020年成功實現(xiàn)“自拍”，其中凝聚著研制團隊長達十年的智慧付出。
一面旗不大，科技含量卻很高。如何確保五星紅旗展開時擁有足夠強度且保持平整？研制團隊圍繞這一問題做了大量理論研究和模擬試驗，單是選材就花了1年多時間。“我們挑選出二三十種纖維材料，通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等物理試驗，最終采用一種新型復(fù)合材料，既滿足強度要求，又滿足染色性能要求，保證五星紅旗能抵御月表惡劣環(huán)境，做到不褪色、不串色、不變形。”五星紅旗展示系統(tǒng)技術(shù)負責(zé)人程昌說。
重量也是要嚴格控制的指標。國旗重量僅12克，國旗展示系統(tǒng)重1公斤，研制團隊圍繞系統(tǒng)減重問題下了大功夫，不僅材料要輕質(zhì)化，而且還對設(shè)備進行“瘦身”。立項之初，研制團隊先后論證過采用四級桿、三級桿和二級桿等方案，但考慮到復(fù)雜性和重量等原因，最終選擇使用二級桿的方式來呈現(xiàn)。
“之所以采用桿系結(jié)構(gòu)方案，是因為它在航天系統(tǒng)里算比較成熟的技術(shù)，包括衛(wèi)星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開，使用的都是桿系結(jié)構(gòu)，其目的就是保證可靠性。”五星紅旗展示系統(tǒng)項目負責(zé)人李云峰說。
此外，研制團隊還對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，選取耐高溫、抗嚴寒材料，使其在空間環(huán)境中能承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環(huán)境考驗。
嫦娥五號實現(xiàn)我國首次地外天體起飛，攜帶約2公斤月壤返回地球
“‘打卡’完畢，著陸器再見，月球再見！”12月3日晚，嫦娥五號上升器“告別”著陸器，攜帶約2公斤月壤從月面起飛。不少航天人在朋友圈里轉(zhuǎn)發(fā)起飛視頻，不舍卻也充滿期待。
嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最復(fù)雜的航天器系統(tǒng)之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成。它們并非“各自為戰(zhàn)”，其中，著陸器和上升器組成“摘月戰(zhàn)隊”，共同開展月面工作；軌道器和返回器組成“返地戰(zhàn)隊”，負責(zé)帶月壤返回地球。
連接器，脫落；發(fā)動機，點火！瞬間，烈焰升騰，上升器垂直上升——月面采樣完畢，嫦娥五號收工回家。
地面固定發(fā)射有一套完備的發(fā)射塔架系統(tǒng)，點火起飛位置、飛行軌道都經(jīng)過精確測算。與地面不同，月面環(huán)境復(fù)雜，沒有成熟的發(fā)射塔架系統(tǒng)，沒有平坦規(guī)整的起飛地，更沒有地面人員測調(diào)確認，著陸器就相當(dāng)于上升器的“臨時塔架”，托舉上升器飛離月面。因重量限制等原因，著陸器會繼續(xù)留在月球。
“起飛初始基準與起飛平臺姿態(tài)不確定，發(fā)動機羽流導(dǎo)流空間受限，地月環(huán)境存在差異等都是難題，好在嫦娥五號著陸時就選擇了相對平坦的地形，提早進行準備。”中國航天科技集團五院技術(shù)專家說。此外，由于月球上沒有導(dǎo)航星座，上升器起飛后，需在地面測控輔助下，借助自身攜帶的特殊敏感器實現(xiàn)起飛時自主定位、定姿。
嫦娥五號不是獨自戰(zhàn)斗，根據(jù)之前獲得的著陸器著陸時刻、上升器姿態(tài)和位置等數(shù)據(jù)，地面科研人員提前計算了起飛時間、姿態(tài)軌道調(diào)整等參數(shù)，并遠程注入了嫦娥五號的最強大腦——制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)中央控制單元。到了預(yù)定的月面起飛時刻，主發(fā)動機會自行點火，嫦娥五號成為中國第一個在月面起飛的探測器。
據(jù)介紹，在起飛后最初一小段距離，上升器不進行姿態(tài)調(diào)整，之后迅速調(diào)整到豎直姿態(tài)并快速上升；達到一定高度后，在GNC系統(tǒng)的指揮下，以一定角度轉(zhuǎn)入軌道入射段。從月面起飛算起，經(jīng)過約6分鐘250公里的飛行后，上升器進入交會對接初始軌道，與闊別數(shù)日的“返地戰(zhàn)隊”匯合，齊心協(xié)力把“土”特產(chǎn)帶回家。
自動采樣是嫦娥五號任務(wù)核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，綜合運用兩種“挖土”模式
從12月1日23點11分著陸月球，到12月3日23點10分從月面點火起飛，近48小時，時間不長不短。月球上一晝夜相當(dāng)于地球上約27天，由于沒有大氣層保護，月球晝夜溫差極大。為避開極端寒冷環(huán)境，嫦娥五號必須在月球白天完成采樣和其他任務(wù)，保證在月球入夜前離開。
工作地點不是隨機選擇的。嫦娥五號在月球上最大的月海——風(fēng)暴洋北部的呂姆克山脈附近降落并實施采樣。過去，沒有人類或是探測器到訪此處。40多年前，美國阿波羅計劃和前蘇聯(lián)探測器采集的月球樣本大多是形成于30到40億年前的巖石，而根據(jù)目前研究成果，嫦娥五號采樣區(qū)域地質(zhì)年代較短，巖石更“年輕”。
“嫦娥五號在月球表面的著陸區(qū)是月球最值得探索的區(qū)域之一，研究這個區(qū)域可以幫助科研人員確認10億至20億年前月球是否仍處于活火山狀態(tài)。”美國布朗大學(xué)地質(zhì)科學(xué)教授詹姆斯·黑德說。
自動采樣是任務(wù)關(guān)鍵。12月2日22點，經(jīng)過約19小時月面工作，嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣，并按預(yù)定形式將樣品封裝保存在貯存裝置中。
表鉆結(jié)合，多點采樣。如何在月球采集到盡可能多的月壤樣本，并且封裝好，是嫦娥五號的研制重點。經(jīng)過嚴苛的論證，專家決定采取兩種“挖土”模式，分別是鉆具鉆取和機械臂表取。
“鉆取就是通過空心鉆桿的取芯機構(gòu)，鉆到月球表面兩米以下處，得到深層樣品的層理信息。表取就是采用機械臂末端固定鏟挖型采樣器，進行表層和次表層月壤采集，多點、多次采樣。”中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢說。
除了采樣，嫦娥五號探測器還配置了降落相機、全景相機、月壤結(jié)構(gòu)探測儀、月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷，能夠在月表形貌及礦物組分探測與研究、月球淺層結(jié)構(gòu)探測等科學(xué)探測任務(wù)中發(fā)揮重要作用。
首次月面采樣面臨諸多困難。首先，采樣裝置是全新研制的，技術(shù)新、難度大，且采樣任務(wù)時序緊張、機構(gòu)動作多、不確定因素多。月面白天溫度超過100攝氏度，嫦娥五號經(jīng)受住了高溫考驗，克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，依托全新研制的地外天體樣品采集機構(gòu)，順利完成多點、多樣化自動采樣任務(wù)。
萬千準備確保萬無一失。嫦娥五號探測器研制團隊不僅對月面采樣過程進行了聯(lián)合設(shè)計分析，確定了先鉆后表、器地協(xié)同的工作程序，以及器上操作、地面測控和地面物理驗證三位一體的飛控模式，而且還設(shè)計了遙控工作、預(yù)編程工作和半自主工作三種工作模式，確保采樣過程的可靠性。
采樣過程可靠，“打包”封裝也不能馬虎。相比月面極高真空環(huán)境，地球大氣中不僅有氣體成分，還飄浮著各種固體顆粒，如果月球樣品接觸這些物質(zhì)后被污染，科研價值將大打折扣。
據(jù)中國航天科技集團五院研制專家介紹，封裝用的“小罐罐”內(nèi)外分層，便于鉆取和表取的月壤分開保存。鉆取月壤放在夾層的軟袋子里，表取月壤放在內(nèi)膽里。針對月球極高真空、高低溫環(huán)境和月塵干擾，密封封裝采用了橡膠圈和金屬擠壓相結(jié)合的方式。特別是金屬擠壓，對合金金屬硬度、混合比例有極高要求。為此，月球樣品密封封裝子系統(tǒng)團隊花了幾年時間，做了大量實驗，就是為了保護樣品既不發(fā)生物理變化，也不發(fā)生化學(xué)變化，把純天然、無污染的月壤帶回地球。
交會對接挑戰(zhàn)大，茫茫天空實現(xiàn)精準“牽手”
“摘月戰(zhàn)隊”在月球上忙活，另一邊，“返地戰(zhàn)隊”也沒閑著，它們已經(jīng)做了幾次變軌，調(diào)整軌道相位，做好了迎接上升器的準備。
從上升器進入環(huán)月飛行軌道開始，通過遠程導(dǎo)引和近程導(dǎo)引技術(shù)，上升器與“返地戰(zhàn)隊”逐步完成交會對接，上升器中存放的月球樣品通過軌道器轉(zhuǎn)移到返回器中。
要從月球回到地球，嫦娥五號在月球軌道的交會對接很關(guān)鍵。這是一個驚心動魄的時刻。據(jù)彭兢介紹，嫦娥五號采取自動交會對接的方式，面臨的挑戰(zhàn)之一是引力環(huán)境。
雖然我國已掌握空間交會對接技術(shù)，載人航天工程也曾進行過多次交會對接，但以往神舟飛船、天宮一號等交會對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進行的，而嫦娥五號探測器在距地球38萬公里的月球軌道上交會對接，屬我國首次。航天器面臨的引力環(huán)境大有不同，研制人員下了大力氣攻關(guān)克服。
兩個航天器交會對接，好比在浩瀚太空中“穿針引線”，對控制精度要求極高。據(jù)介紹，此次交會對接沒有采取“觸碰式”對接，而是采用“摟緊”方式，類似雙臂拉住對方隨后收緊。這種方式對精度要求也極高，達到厘米級。
“兩個航天器的相對位置要控制在誤差不能超過5厘米的精度范圍。除了月球引力環(huán)境的影響以外，交會對接中，由于兩個航天器的重量差異大，一旦速度控制出現(xiàn)偏差，也會造成兩器相撞從而導(dǎo)致對接的失敗。為此，研制人員量身打造了一套全新的對接機構(gòu)。”彭兢說。
此外，由于無法在萬里外借助導(dǎo)航衛(wèi)星幫助，嫦娥五號只能自力更生，月球軌道測控精度、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對接等技術(shù)均取得突破。
等待月地入射窗口，軌道器和返回器分離，返回器重新投入地球懷抱
距離回家，嫦娥五號還要經(jīng)歷幾個關(guān)口？
當(dāng)返回器“吞入”樣品、扣上蓋子，軌返組合體就可以與上升器分離，踏上回家之路了。首先是環(huán)月等待，嫦娥五號軌返組合體從對接艙分離并進入月地入射點，在環(huán)月等待段飛行過程中進行1次軌道維持，等待月地入射窗口的到來，全力以赴做好返地準備。
接下來是月地轉(zhuǎn)移階段。當(dāng)嫦娥五號軌道器攜返回器由月球向地球呼嘯而來，在預(yù)定時機加速進入月地轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)歷多次中途修正后，在接近地球大約5000公里高度時將返回器釋放。
最后一步是再入回收。嫦娥五號返回器與軌道器分離后，軌道器進行規(guī)避機動，返回器則要經(jīng)歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段完成最后的降落。返回器首先以每秒約11公里的第二宇宙速度沖向地球，在進入地球大氣層后，通過半彈道跳躍式再入返回技術(shù)重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進行降落。距離地面10公里高度時，返回器將打開降落傘，著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)域，地面搜索回收力量預(yù)計在兩天內(nèi)完成回收任務(wù)。
為什么要在進入地球大氣后跳出去，再重新跳進大氣層呢？不能“一步到位”嗎？
返回器沖向地球的第二宇宙速度，是能夠脫離地球引力場束縛的最小速度，但也比從近地軌道返回地面的神舟載人飛船返回艙要快得多。為解決速度這個問題，科技人員設(shè)計了半彈道跳躍式返回辦法，相當(dāng)于在太空“打水漂”。返回器進入地球大氣層，減速后將再次跳出大氣層并第二次進入大氣層。返回器再入地球大氣層的速度將從十幾公里每秒，降低到七公里多每秒，從而安全落地。
從嫦娥一號拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號成功獲取月球虹灣局部地區(qū)1米分辨率影像圖，再到嫦娥三號成功實現(xiàn)落月夢想、嫦娥四號實現(xiàn)人類探測器首次月背軟著陸揭開月球背面神秘面紗……嫦娥一路向月行。這一次，作為我國無人月球探測的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號不僅向月行，還要向地歸。
嫦娥五號從11月24日發(fā)射到完成地面回收，整個過程預(yù)計歷時23天左右。在冬至前后的深夜，它將滿載而歸，落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸點。