11月24日，我国用长征五号大型运载火箭成功发射了嫦娥五号探测器，计划首次实现月面自动采样返回，把2公斤月球样品带回地球进行精细研究，助力深化月球成因和演化历史等科学研究。这是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一，它将完成我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走的收官之战。
中国航天科技集团八院供图
嫦娥五号的四个首次
嫦娥五号是我国探月工程三期的主任务，由上升器、着陆器、返回器、轨道器四个部分“串联”组成，重8.2吨，由长征五号大型运载火箭直接送入地月转移轨道。它将在月球表面特定区域软着陆后进行分析采样；然后通过上升、月地转移和返回等一系列过程，将2公斤月球样品返回到地球，供科学家在实验室里进行详细的分析研究，成为世界第三个在月球采样返回地球的国家。
其大概过程是：
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嫦娥五号组合体进入月球轨道后将两两分离，轨道器－返回器（简称轨返）组合体留在轨道，着陆器-上升器（简称着上）组合体在月面上降落。
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着陆后，用着陆器上的电铲铲取月壤，用自动打钻钻取岩芯，采集的样品放在上升器的返回舱里，进行无污严密封装；
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随后，上升器从月面起飞，在月球轨道与轨返组合体交会对接，把样品转移到返回器后，上升器与轨返组合体分离；
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接着，轨返组合体踏上归途，在距地球一定高度处返回器从轨返组合体中分离；
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最终，返回器采用半弹道跳跃再入方式进入大气层，落至预定的着陆场。
如果顺利，嫦娥五号将实现我国开展航天活动以来四个“首次”：
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首次在月面自动采样；
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首次从月面起飞；
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首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接；
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首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
这四个“首次”既是亮点，也是难点。
嫦娥五号的四个考验
在月面上采集样品时，着陆器上的采样装置要在月球低重力环境下具备研磨、钻孔、抓取月壤和输送月壤、岩石的能力。在月面取样完成后要封装，要求不能有任何污染。尽管地球上的机械手，能在模拟月球重力环境的试验条件下做得很好，但真实的月球重力环境与模拟环境也存在误差。机械手在地球上做出的精确动作，在月球上能否重复完成，这是关键的挑战。
采集的样品封装到上升器后，上升器要从着陆器上起飞。这将是我国飞行器第一次在地外天体起飞，难度很大。因为上升器的火焰喷射之后会碰到着陆器，可能产生干扰上升器的力。另外，着陆器不可能很平稳，无法像地球发射塔架那样配置火箭导流槽，所以要克服月面起飞轨道设计、月面起飞测控、发动机羽流导流等困难。
携带月球样品的上升器起飞后，要在38万公里以外的月球轨道与返回器-轨道器组合体进行无人交会对接，把采集的样品转移到返回器中，这在世界上是第一次。我国在地球轨道上有着比较成熟的航天器交会对接经验，多次采用“小追大”的模式，即小质量飞船追大质量“天宫”。但在月球轨道上进行交会对接要“大追小”，即大质量返回器-轨道器组合体追小质量上升器，而且距离地球几十万公里，稍微控制不好就会偏离到太空中，对接精度要求更高。
最后，携带月球样品的返回器，将以11公里/秒的近第二宇宙速度再入大气层，所以摩擦力比返回式卫星或者宇宙飞船再入地球大气层时更大，为此需要一个既安全又稳妥的返回路线，并对返回器的气动外形、防热材料，以及控制都将是一个新挑战。为了减速耗能，返回器将采用高速半弹道跳跃式返回轨道，就像“打水漂”一样使其速度降低后再进入大气层坠向地面。
嫦娥五号落在哪儿？
由于月球没有大气层的保护，所以月球表面的月壤是月球岩石在受地外星体的撞击，以及受到宇宙射线辐射和太阳风轰击等空间风化作用后形成，基本上是一些细碎的石沫。通过嫦娥五号采样返回探测，能进一步了解月球的状态、物质含量、地质演化历史，深化对月壤、月壳和月球形成与演化的认识；也可以为了解太阳活动等提供必要的信息，并突破一系列关键技术，为以后的载人登月和月球基地的选址提供有关数据。
此次选择月球上的采样地点主要综合考虑四个方面的因素：
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第一是安全性，采样着陆点要相对开阔平坦，躲开月岩或月坑，便于平稳着陆；
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第二是科学性，采样着陆点的地质构造，以及月岩、月壤的物质元素要丰富，具有科学探测价值；
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第三是可测控，采样着陆点要在月球的对地面，并且光照比较充足的区域，便于通信和测控的连续性；
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最后是创新性，采样着陆点要选择一个其他国家没有探测过的地方。
此次嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆，此地从未有其他国家的探测器到访过。风暴洋相对较年轻，富集铀、钍、钾等放射性元素，存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。它可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。
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未来将建月球科考站
嫦娥五号任务完成后，我国探月工程当初制定的“绕、落、回”三步走战略就大功告成了，但走完了并不是终结。我国已宣布探月四期任务，并把2019年初在月球背面着陆开展工作的嫦娥四号作为探月四期首次任务，后续还有三次任务，主要是探测月球南北极，包括开展以机器人为代表的月球南北极探测、建立无人的月球科考站，让着陆器、机器人和地面上的人更好地联合工作等。
嫦娥六号计划在月球南极进行采样返回，到底是月背还是正面，要根据嫦娥五号的采样情况来确定。
嫦娥七号计划在月球南极，对月球的地形地貌、物质成份、空间环境进行一次综合探测任务。
嫦娥八号除了继续进行科学探测试验以外，还要进行一些关键技术的月面试验。
此后，将在月球建立机器人月球科研站，进行较大规模的月球科学研究。
来源：科普时报
作者：庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家
编辑：毛梦囡
终审：尹宏群
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