揭秘嫦娥五号探月十三大步骤

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嫦娥五号探月取样成功归来是中国航天事业的一次重大飞跃，其创造了五项中国之首，本文对嫦娥五号“筹备、发射、探月、第二次轨道修正、第一次近月制动、第二次近月制动、组合体分离、着陆月面、月面采样、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待与月地转移、轨道器和返回器分离、着陆地球”整个过程的十三个步骤进行了详细介绍。
国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华在12月17日下午的国新办发布会上表示，嫦娥五号任务是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，首次实现了我国地外天体采样返回。


创五项中国之首

一是在地外天体的采样与封装，

二是地外天体上的点火起飞、精准入轨，
三是月球轨道无人交会对接和样品转移，
四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回，
五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。此次任务的成功实施，是我国航天事业发展中里程碑式的新跨越，标志着我国具备了地月往返的能力，实现了“绕、落、回”三步规划完美收官，为我国未来月球与行星探测奠定了坚实基础。
吴艳华介绍，以嫦娥五号任务圆满成功为起点，我国探月工程四期和行星探测工程将接续实施。目前，首次火星探测任务天问一号正在奔火的征程；嫦娥六号、七号、八号，小行星探测，火星取样返回，木星系探测等工程任务也将按计划陆续实施。


嫦娥五号探月之旅全程

11月24日，“出发”——嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场发射升空并进入地月转移轨道。
12月1日，“到达目的地”——嫦娥五号在月球正面预选区域着陆并开展采样工作。
12月2日，“已揽件”——嫦娥五号顺利完成月表自动采样，并将样品保存在上升器携带的贮存装置。
12月3日，上升器点火起飞、精准入轨。
12月6日，“已装车”——嫦娥五号完成与轨道器和返回器组合体之间的交会对接及样品转移。
12月17日，“已送达”——嫦娥五号重返地球。
翘首以盼，“土特产”快递终于到了！
经过20多天期盼等待，嫦娥五号探月之旅终于取得圆满成功。嫦娥五号探测器在一次任务中，连续实现我国航天史上首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接、带样返回等多个重大突破。


嫦娥五号探月采样返航十三步



01 筹备阶段

2004年，国务院批准探月工程立项，又名“嫦娥工程”，包括绕、落、回三期。顾名思义，第一期航天器的任务是绕月探测，第二期要实现在月面上着陆与巡视，第三期则肩负采样返回的任务。
在“嫦娥五号”之前，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”完成了第一期的绕月任务，“嫦娥三号”和“嫦娥四号”完成了第二期的落月任务。2011年，国务院正式批复探月工程三期立项，任务是实现月球无人采样返回。“嫦娥五号”负责执行该项目。

“嫦娥”系列探测器发射时间表 （图源：中国探月与深空探测网）
嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器四部分构成，外形似一串老北京糖葫芦，在飞行过程中会有四器组合体、着上组合体、轨返组合体等不同姿态，想要控制好这四颗“葫芦”并非易事。

嫦娥五号探测器构成 （图源：中国探月与深空探测网）


02 发射

11月24日凌晨4时30分，长征五号运载火箭携嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场点火升空。当天文昌上空阴云密布，但仍然可以看到一个橘红色的明亮光点在夜空的云层中穿行。火箭飞行约36分42秒后，嫦娥五号探测器被送入地月转移轨道，标志着发射成功。地月转移轨道是探测器从脱离地球引力、飞向月球开始，到被月球引力捕获、进入环月轨道为止的中间过渡轨道段。
由于受到入轨偏差和控制偏差等因素影响，嫦娥五号探测器在地月转移的过程中会与理论轨道产生偏差。这时候就需要对实际运行轨道进行修正，以确保探测器处在适当轨道。当日22时06分，嫦娥五号探测器在距离地球约16万公里处顺利完成第一次轨道修正。


长征五号运载火箭发射现场 （图源：央视新闻)


03 第二次轨道修正

11月25日22时06分，嫦娥五号探测器2台150牛（相当于15公斤推力）发动机工作约6秒，在距离地球约27万公里处完成第二次轨道修正。此时，嫦娥五号探测器已在轨飞行约41小时，系统状态良好，地面测控通信各中心和台站跟踪正常。

完成轨道修正后的嫦娥五号探测器（图源：中国航天科技集团有限公司官网）


04 第一次近月制动

11月28日20时58分，经过约112小时的飞行，嫦娥五号探测器发动机在距离月面约400公里处点火，以此获得推力，形成新的环月轨道。17分钟后发动机正常关闭，嫦娥五号探测器进入周期约８小时的环月椭圆轨道。第一次近月制动成功。

近月制动示意图（图源：新华社）


05 第二次近月制动

嫦娥四号重1200公斤，进行近月制动的发动机推力有7500牛顿；而嫦娥五号有8吨重，其近月制动发动机推力却只有3000牛顿。为了解决重量大但推力小的问题，11月29日20时23分，嫦娥五号探测器在近月点再次“刹车”，实施第二次近月制动，环月轨道由椭圆变为圆形，距月高度减少一半，变为200公里。这也是嫦娥五号探测器的最终绕月轨道。

嫦娥五号近月制动示意图 （图源：航天科技集团八院）


06 组合体分离

在经历地月转移、两次近月制动和环月飞行后，嫦娥五号探测器的下一步是着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体分离，“糖葫芦”分成了两串。11月30日凌晨4时30分，两对四器组合体成功分离。轨道器携返回器留轨运行，着陆器载上升器择机实施月面软着陆。


嫦娥五号探测器组合体成功分离三维模拟图（图源：新华社发布，北京航天飞行控制中心供图）


07 着陆月面

12月1日23时11分，嫦娥五号探测器在月球正面（永远朝向地球的半球）西经51.8度、北纬43.1度附近着陆，该地为月球最大的月海——风暴洋的吕姆克山脉以北地区，纬度较高。着陆器配置的降落相机拍下了嫦娥五号探测器在下降过程中的影像图并传回。这也是首次有探测器落地于这一区域。

嫦娥五号探测器拍摄的月表画面（图源：中国探月与深空探测网）

嫦娥五号探测器软着陆后降落相机拍摄的图像 （图源：中国探月与深空探测网）

探测器降落示意图 （图源：中国探月与深空探测网）


08 月面采样

为了获得尽可能丰富的月球样品，嫦娥五号探测器采用钻具钻取和机械臂表取两种采样方式，且在多个地点进行采样。12月2日4时53分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了钻取采样及封装。12月2日22时，嫦娥五号探测器完成所有月面无人采样工作，并将２公斤重的月球样品封装保存至上升器所携带的贮存装置中。这也是中国第一次自主采集月球样品。

月球表面自动采集现场 （图源：中国探月与深空探测网）


09 月面上升

12月3日23时10分，嫦娥五号上升器准时点燃引擎，携带月球样品进入预定环月轨道，实现我国首次地外天体起飞。

嫦娥五号上升器飞行过程（图源：新华网，北京航天飞行控制中心拍摄）


10 交会对接与样品转移

上升器进入环月飞行轨道后，轨道器和返回器组合体逐步靠近上升器，并在12月6日5时42分以抱爪方式捕获上升器，顺利完成交会对接。所谓抱爪，即像手掌握住木棍一样，“抓住”上升器连接面上的三根连杆。由此，规返组合体便可与上升器紧密对接。整个对接过程在21秒内完成，1秒捕获、10秒矫正、10秒紧锁，步步紧扣。随后，上升器将月球样品容器转移到了返回器上。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。12月6日12时许，上升器与轨返组合体顺利在轨分离。

轨道器与上升器完成交会对接 （图源：中国探月与深空探测网）


11 环月等待与月地转移

12月12日9时54分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了大约6天的环月等待，实施了第一次月地转移入射，类似于“踩一脚油门”，通过轨道机动进入到月地转移轨道。
在与着陆器和上升器分离之后，嫦娥五号探测器由原先的8吨减轻为2吨。如果沿用大推力发动机，就会导致探测器加速度过大，从而影响轨道入射精度。因此，嫦娥五号探测器采用了多台小推力发动机同点火的方式。为了达到足够的飞行速度，又需进行第二次点火。12月13日9时51分， 嫦娥五号轨道器和返回器组合体在距月面约230公里处实施四台150牛发动机点火，发动机在大约22分钟后正常关闭。根据实时遥测数据监视，轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道，第二次月地转移入射成功。

第一次月地转移入射示意图 （图源：中国探月与深空探测网）


12 轨道器和返回器分离

2020年12月17日凌晨1时许，在距离地球约5000公里的高度时，承担运输任务的轨道器与返回器成功分离。携带着月球样品的返回器将独自“归家”。


13 着陆地球

2020年12月17日凌晨1时59分，“嫦娥五号”顺利着陆于内蒙古中部草原的四子王旗航天着陆场。这标志着我国探月工程“三步走”战略规划取得成功。


12月17日凌晨，嫦娥五号返回器携带月球样品，采用半弹道跳跃方式再入返回，在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。新华社记者 任军川 摄

一只小动物从嫦娥五号返回器前经过

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