嫦娥五号即将返回！历时23天，两公斤“广寒宫”土特产要带回

文 | 学术头条 ，编辑 | 王新凯

携带 2 公斤珍贵月壤的嫦娥五号，即将结束 “太空之旅”，在内蒙古中部草原的四子王旗着陆场着陆！

据央视报道，日前，四子王旗着陆场系统已完成最后一次综合演练，各项准备工作就绪，全力迎接返回器平安回家。

嫦娥五号回家方式：打水漂

嫦娥五号回家的方式非常独特，具体来说就是嫦娥五号的返回器会先以高速进入地球大气层，然后借助大气层提供升力跳起来，之后再重新进入到地球大气层，返回地面，专业输入叫做：高速再入轨道技术。

太空中没有大气层，因此返回舱在返回时速度非常快，以至于在进入大气层时的速度接近第二宇宙速度，超高速度会使得返回舱与空气发生剧烈摩擦，甚至有燃烧殆尽的风险。

而 “打水漂” 的好处则可以使得返回器高速进入大气层时，会削减一些速度，使返回舱的速度降低到第一宇宙速度。尽管如此，返回器仍旧会与空气发生剧烈摩擦，使其表面温度最高达 2000 多℃，如果高温传入到返回舱内部，将会对嫦娥五号挖掘的月球岩石和土壤产生不利影响。

为此，嫦娥五号的工程师们特意设计了一个返回器，返回器的侧面有一个洞，洞里面有推力器，在大气层飞行时，返回器不仅会受到阻力，也会有一点点升力，凭借着这种方式，返回器才能成功实现半弹道跳跃方式返回。

最终，在距离地面较近时打开降落伞，按照预定的计划在内蒙古四子王旗着陆场预定地点进行着陆。

为什么选择四子王旗作为着陆点？

据了解，内蒙古四子王旗着陆场是我国神舟载人返回舱的主要着陆场，在此之前已经执行过多次任务。嫦娥五号之所以也选择这里着陆，是因为内蒙古四子王旗着陆场有其他地区不具备的优点。

首先是人口密度低，每平方公里人口不超过 10 人，这意味着很难砸到人；其次是场地开阔，防止返回器因为特殊地形而撞坏，而当地几乎没有大江大河，非常适宜着陆；第三，地势平缓，有利于增加搜寻工作人员的视野，能够从远处就能够看到返回舱的踪迹；第四，天气好，内蒙古四子王旗全年降雨稀少，晴朗天气较多，非常有利于返回舱的降落；第五，地表足够坚硬，返回器着陆之后不至于深陷地表之下。

嫦娥五号的多个 “首次”

作为我国探月工程 “绕、落、回” 三步走中的收官之作，嫦娥五号有望实现我国航天史上多个 “首次”。

嫦娥五号工作过程（来源：微博 太空精酿）

首次月面自动采样与封装

作为此次任务的核心关键之一，月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段，嫦娥五号探测器将在月面选定区域着陆，并采集月壤，实现我国首次月面自动采样与封装。

为此，中国航天科技集团五院的设计师们为嫦娥五号精心设计了两种 “挖土” 模式：钻取和表取。当嫦娥五号着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面后，就会开始为期两天的月面工作，采集约 2 千克月壤并密封封装，经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移与再入回收等过程将月球样品安全送回地球家园。

首次月面起飞上升

当嫦娥五号探测器完成月面工作后，就要踏上 “回家” 的旅程。回家第一步如果顺利迈出，将会突破我国航天史上另一个首次 —— 月面起飞上升。嫦娥五号顺利完成月壤采样封装后，上升器就要准备月面点火起飞了。运载火箭在地球起飞是有一套完备发射塔架系统的。月面起飞就不一样了，由于月球表面环境复杂，这给着陆器起飞带来了很大难度。此外，嫦娥五号在月面起飞必须依靠自身力量实现起飞时的自主定位、定姿。

首次实现月球轨道交会对接

当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后，嫦娥五号一路飞奔而去。但仅依靠上升器是不可能实现返回地球的，它需要飞到月球轨道上与轨返组合体交会对接，把采集到的月壤转移到返回器。然而，在 38 万公里外的月球轨道上实施无人交会对接不仅在我国尚属首次，在人类航天史上也是第一次。

首次带月壤高速再入返回地球

当返回器带着月壤从 38 万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来，这时它的飞行速度接近每秒 11 公里的第二宇宙速度，一般从近地轨道返回的航天器速度则大多为每秒 8 公里的第一宇宙速度。这每秒 3 公里的差距给航天器再入返回地球带来巨大难度，一旦速度过猛，返回器就会一头撞向地球。

因此，在这一过程中必须让返回器减速飞行。对此，科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案，就像在太空打水漂一样，让返回器先是高速进入大气层初次减速，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后再入大气层二次减速，最后返回地面，确保嫦娥五号安全顺利降落。

嫦娥五号的国际关注

此前，嫦娥五号的成功落月引发了国际技术界强烈关注。特别是 space.com，在着陆成功 15 分钟后就第一个发了正式新闻，表示了祝贺。随后，路透社和 spaceflight 也纷纷跟进了报道，俄罗斯航天局与欧空局也发来贺电。

据塔斯社报道，当地时间 12 月 1 日，负责国际合作的俄罗斯联邦航天局副局长谢尔盖・萨伐黎耶夫称，俄罗斯联邦航天局对嫦娥五号探测器成功落月表示祝贺。

萨伐黎耶夫说：“中国国家航天局完成了一次月球探测器采样返回任务中的落月环节，这是中国航天事业上真正的历史性事件，是中国太空探索史上的首次。” 他还祝愿嫦娥五号探测器能够成功将月球土壤样本带回地球，圆满完成中国的科学计划。他还表示，月球研究仍然是所有国家太空计划的优先事项，俄罗斯与中国定期讨论在这一领域的发展合作。

托马斯・祖尔布琴博士推文截图 （来源：Twitter）

当地时间 12 月 1 日晚，欧洲空间局在社交媒体上分享了嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区的消息，并向中国国家航天局表示祝贺。欧空局还表示，通过其全球跟踪站网络，欧空局为嫦娥五号探测器提供了技术支持。

在嫦娥五号发射之后，欧空局位于法属圭亚那的库鲁地面站曾对其进行数小时的追踪。而在嫦娥五号返回地球的时候，欧空局将通过位于西班牙的马斯帕洛马斯地面站接收信号。

斯帕洛马斯航天中心主任 拉斐尔・萨哈贡・施瓦兹在接受采访时讲到：“我们将再次担任重要工作，我们将用我们的直径为 15 米的天线，对中国嫦娥五号探测器进入大气层进行追踪。我想强调的是，这个追踪是非常重要的，因为知道探测器进入大气层的确切切入点，就可以知道探测器着陆的具体方位。”

另外，美国国家航天局（NASA）级别最高的科学官员托马斯・祖尔布琴博士（Dr Thomas Zurbuchen）也在境外社交媒体平台推特上对嫦娥五号成功落月表示祝贺。他称这并非易事，当从月球上收集的样本被送回地球后，希望所有人都能从对这种可促进国际科学界进步的宝贵货物进行的研究中受益。在嫦娥五号成功发射升空当天，祖尔布琴也曾发推文向中国表达祝贺。

惊心动魄的 23 天 “探月之旅”

发射入轨阶段

2020 年 11 月 24 日 4 时 30 分，在中国文昌航天发射场，通过长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，火箭飞行约 2200 秒后，顺利将探测器送入预定轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。

嫦娥五号点火（来源：国家航天局）

地月转移阶段

11 月 24 日 22 时 06 分，嫦娥五号探测器 3000N 发动机工作 约 2 秒钟，顺利完成第一次轨道修正，继续飞向月球。

本次嫦娥五号任务发射入轨精度较高，轨道修正量很小。嫦娥五号探测器在飞行过程中，受多种因素影响，会产生轨道偏差，需要根据测定探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差，完成对应的探测器轨道控制，确保探测器始终飞行在适当的轨道上。

截至第一次轨道修正前，嫦娥五号探测器各系统状态良好，在轨飞行约 17 个小时，距离地球约 16 万公里。

11 月 25 日 22 时 06 分，嫦娥五号探测器两台 150N 发动机工作约 6 秒钟，顺利完成第二次轨道修正。

截至第二次轨道修正，嫦娥五号探测器在轨飞行约 41 小时，距离地球约 27 万公里，探测器各系统状态良好，地面测控通信各中心和台站跟踪正常。

近月制动阶段

11 月 28 日 20 时 58 分，嫦娥五号探测器经过约 112 小时奔月飞行，在距月面约 400 公里处成功实施 3000 牛发动机点火，约 17 分钟后，发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断，嫦娥五号探测器近月制动正常，顺利进入环月轨道。

近月制动是月球探测器飞行过程中关键的轨道控制之一。高速飞行的探测器在靠近月球时，实施 “刹车” 制动，目的是使其相对速度低于月球逃逸速度，从而被月球引力捕获。嫦娥五号探测器在地月转移过程中经历了 2 次轨道修正，达到预期目标。

环月飞行阶段

11 月 30 日 4 时 40 分，在科技人员精确控制下，嫦娥五号探测器组合体顺利分离。探测器各系统状态良好，地面测控通信正常，轨道器和返回器组合体继续在平均高度约 200 公里的环月轨道上飞行并等待上升器交会对接，着陆器和上升器组合体择机实施月面软着陆，进行自动采样等后续工作。

着陆下降阶段

12 月 1 日 23 时 11 分，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经 51.8 度、北纬 43.1 度附近的预选着陆区，并传回着陆影像图。

12 月 1 日 22 时 57 分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约 15 公里处开始实施动力下降，7500 牛变推力发动机开机，逐步将探测器相对月球速度从 约 1.7 公里 / 秒降为零。期间，探测器进行快速姿态调整，逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测，选定着陆点后，开始避障下降和缓速垂直下降，平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。

着陆过程中，着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。成功着陆后，着陆器在地面控制下，进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作，正式开始持续约 2 天的月面工作，采集月球样品。

嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像（来源：国家航天局）

月面工作阶段

12 月 2 日 4 时 53 分，探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。探测器于 12 月 1 日 23 时许成功着陆月面后，开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。

着陆器和上升器组合体按计划进行表取采样，嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合，多点采样的方式，设计了钻具钻取和机械臂表取两种 “挖土” 模式。

12 月 2 日 22 时，经过约 19 小时月面工作，探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

嫦娥五号挖土工作过程 （来源：国家航天局）

月面上升阶段

12 月 3 日 23 时 10 分，嫦娥五号上升器 3000N 发动机工作约 6 分钟，成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

与地面起飞不同，嫦娥五号上升器月面起飞不具备成熟的发射塔架系统，着陆器相当于上升器的 “临时塔架”，上升器起飞存在起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异等问题；另外由于月球上没有导航星座，上升器起飞后，需在地面测控辅助下，借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

点火起飞前，着上组合体实现月面国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的 “独立展示”。

点火起飞后，上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段，进入预定环月飞行轨道。随后，上升器将与环月等待的轨返组合体交会对接，将月球样品转移到返回器，后者等待合适的月地入射窗口，做好返回地球的准备。

嫦娥五号着陆器和上升器组合体全景相机拍摄五星红旗在月面成功展开 （来源：国家航天局）

交会对接与样品转移阶段

12 月 6 日 5 时 42 分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于 6 时 12 分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次月球轨道交会对接。后续，嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器分离，择机返回地球。

嫦娥五号上升器与轨道器和返回器组合体交会对接（来源：国家航天局）

环月等待阶段

12 月 6 日 12 时 35 分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。

嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离（来源：国家航天局）

月地转移阶段

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约 6 天的环月等待，实施了第一次月地转移入射，从近圆形轨道变为近月点高度约 200 公里的椭圆轨道。月地转移入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动，使轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道。

12 月 13 日 9 时 51 分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体实施第二次月地转移入射，在距月面 230 公里处成功实施四台 150 牛发动机点火，约 22 分钟后，发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断，轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道。

后续，携带月球样品的嫦娥五号轨道器和返回器组合体将在月地转移过程中进行中途轨道修正，并择机实施轨道器和返回器的分离。

嫦娥五号修正示意图（来源：国家航天局）

12 月 14 日 11 时 13 分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台 25N 发动机工作约 28 秒钟，顺利完成第一次月地转移轨道修正。目前，携带月球样品的嫦娥五号轨道器和返回器组合体各系统状态良好。

再入回收阶段

12 月 15 日 15 时 18 分，嫦娥五号着陆地 - 四子王旗着陆场准备就绪，各项工作已就位。

中国探月工程全回顾

20 世纪六七十年代，美国和前苏联先后实现有人和无人月球采样返回。嫦娥五号任务通过在预定着陆区域开展取样，以及月面科学探测和后期月球样品综合分析，有望在月球形成过程、地质演变等方面取得新的科学认知。

2004 年，我国探月工程立项实施，确定了 “绕、落、回” 三步走战略规划。九天揽月星河阔，十六春秋绕落回。16 年来，中国探月工程五战五捷，硕果累累。

2007 年 10 月 24 日，嫦娥一号发射成功，在轨有效探测 16 个月，首次实现我国自主研制的卫星进入月球轨道并获得全月图。实现我国探月工程第一步战略目标。

2010 年 10 月 1 日，嫦娥二号作为二期工程先导任务发射成功，为嫦娥三号详勘了落月区域，验证了部分关键技术，获得了世界上首幅 7 米分辨率全月图；拓展任务实现飞赴日地 L2 点开展探测，与图塔蒂斯小行星近距离交会。

2013 年 12 月 2 日，嫦娥三号踏上奔月之旅。12 月 14 日成功软着陆在月球表面，随后，着陆器与 “玉兔号” 月球车完成互拍并将图像传回地面，实现我国探月工程第二步战略目标。

2014 年 10 月 24 日，探月工程三期再入返回飞行试验器从地球出发，成功绕月后，11 月 1 日，返回器以半弹道跳跃方式再入地球大气层，安全精确着陆，为嫦娥五号任务奠定了坚实技术基础。

2018 年 5 月 21 日，嫦娥四号任务的中继通信卫星 “鹊桥” 发射成功。“鹊桥” 稳定运行在地月引力平衡点轨道，解决了月球背面与地球的通讯问题。同年 12 月 8 日，嫦娥四号探测器从地球启程，于 2019 年 1 月 3 日成功着陆在月球背面南极 — 艾特肯盆地冯・卡门撞击坑的预选着陆区，实现人类探测器首次月球背面软着陆。

2020 年 11 月 24 日 4 时 30 分探月工程三期收官之战嫦娥五号探测器的成功发射，中国探月工程在空间科学探测领域已实现多个 “首次”。

如获取了分辨率 7 米全月图；获得了首幅月球正面和背面地质剖面图；月球背面甚低频天文观测填补了国际空白。我国还获得了大量月球地质、环境、形貌等原始科学数据，带动了空间物理、空间天文、行星科学等基础学科的发展，推动我国月球科学研究向世界先进水平迈进。

月球科研站已在路上

目前我国正在规划嫦娥六号、七号、八号任务。嫦娥六号任务将根据嫦娥五号任务情况，确定在月球正面或背面南极附近实施采样返回。嫦娥六号任务预计在 2023 年至 2024 年实施。

中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁表示，我国探月工程四期将构建月球科研站基本型，这一基本型由运行在月球轨道和月面的多个探测器组成。

在 11 月 25 日闭幕的 2020 文昌国际航空航天论坛上，吴伟仁说，基本型将具备月球科学技术研究、资源开发利用技术验证的能力，并与国际同行合作，建设国际月球科研站。

吴伟仁还表示，在我国探月工程四期的月球极区探测任务规划中，嫦娥七号将对月球南极地形地貌、物质成分、空间环境等进行综合探测。嫦娥八号除继续开展科学探测试验外，还将进行关键技术的验证。

国际月球科研站建设思路设想（来源中国科学杂志社）

国际月球科研站是指由多国参与，按照 “共商共建共享” 的原则， 在月面建设和运营的科学实验实施，支持开展长期、较大规模的月球轨道与月面探测、天文与对地观测、基础科学实验。

不知大家有没有发现这样一个变化：我国月球探测发展方式正从独立自主走向开放合作，嫦娥四号首次搭载了多个国家的科学仪器，开展了中外联合探测。

未来，我们将更多的开展国际合作。2019 年 4 月 18 日，国家航天局在北京交接了嫦娥四号国际载荷科学数据，并发布嫦娥六号及小行星探测任务合作机遇公告，向国内院校、民营企业和国外科研机构进行征集。

中国将在嫦娥六号任务和小行星探测任务中提供搭载平台和载荷资源的机会，也欢迎更多国家参与中国的月球与深空探测工程，加强月球与深空探测领域基础科学研究的国际交流。