“嫦娥” 回來了！一文回顧嫦娥五號探月之旅
嫦娥五號落月輪廓 （圖源：NASA 月球勘測軌道飛行器（LRO）攝）
撰文 | 任知微
責編 | 王一葦
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2020年12月17日凌晨2點左右，“嫦娥五號”月球探測器的返回器成功落地位于內蒙古中部草原的四子王旗航天著陸場。此次探月旅行中，“嫦娥五號”不負眾望，順利將采集到的月球樣品（月壤及月巖）帶回地球，并實現了中國首次地外天體起飛和月球軌道無人交會對接。
本文將帶你回顧“嫦娥五號”自籌備、發(fā)射到返回過程中的一系列關鍵節(jié)點，看看“嫦娥五號”在過去的23天里都逛了哪些“景點”、拍了什么“游客照”。
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籌備階段
2004年，國務院批準探月工程立項，又名“嫦娥工程”，包括繞、落、回三期。顧名思義，第一期航天器的任務是繞月探測，第二期要實現在月面上著陸與巡視，第三期則肩負采樣返回的任務。
在“嫦娥五號”之前，“嫦娥一號”和“嫦娥二號”完成了第一期的繞月任務，“嫦娥三號”和“嫦娥四號”完成了第二期的落月任務。2011年，國務院正式批復探月工程三期立項，任務是實現月球無人采樣返回?！版隙鹞逄枴必撠焾?zhí)行該項目。
“嫦娥”系列探測器發(fā)射時間表 （圖源：中國探月與深空探測網）
嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器四部分構成，外形似一串老北京糖葫蘆，在飛行過程中會有四器組合體、著上組合體、軌返組合體等不同姿態(tài)，想要控制好這四顆“葫蘆”并非易事。
嫦娥五號探測器構成 （圖源：中國探月與深空探測網）
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發(fā)射
11月24日凌晨4時30分，長征五號運載火箭攜嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。當天文昌上空陰云密布，但仍然可以看到一個橘紅色的明亮光點在夜空的云層中穿行?；鸺w行約36分42秒后，嫦娥五號探測器被送入地月轉移軌道，標志著發(fā)射成功。地月轉移軌道是探測器從脫離地球引力、飛向月球開始，到被月球引力捕獲、進入環(huán)月軌道為止的中間過渡軌道段。
由于受到入軌偏差和控制偏差等因素影響，嫦娥五號探測器在地月轉移的過程中會與理論軌道產生偏差。這時候就需要對實際運行軌道進行修正，以確保探測器處在適當軌道。當日22時06分，嫦娥五號探測器在距離地球約16萬公里處順利完成第一次軌道修正。
長征五號運載火箭發(fā)射現場 （圖源：央視新聞)
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第二次軌道修正
11月25日22時06分，嫦娥五號探測器2臺150牛（相當于15公斤推力）發(fā)動機工作約6秒，在距離地球約27萬公里處完成第二次軌道修正。此時，嫦娥五號探測器已在軌飛行約41小時，系統(tǒng)狀態(tài)良好，地面測控通信各中心和臺站跟蹤正常。
完成軌道修正后的嫦娥五號探測器（圖源：中國航天科技集團有限公司官網）
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第一次近月制動
11月28日20時58分，經過約112小時的飛行，嫦娥五號探測器發(fā)動機在距離月面約400公里處點火，以此獲得推力，形成新的環(huán)月軌道。17分鐘后發(fā)動機正常關閉，嫦娥五號探測器進入周期約８小時的環(huán)月橢圓軌道。第一次近月制動成功。
近月制動示意圖（圖源：新華社）
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第二次近月制動
嫦娥四號重1200公斤，進行近月制動的發(fā)動機推力有7500牛頓；而嫦娥五號有8噸重，其近月制動發(fā)動機推力卻只有3000牛頓。為了解決重量大但推力小的問題，11月29日20時23分，嫦娥五號探測器在近月點再次“剎車”，實施第二次近月制動，環(huán)月軌道由橢圓變?yōu)閳A形，距月高度減少一半，變?yōu)?00公里。這也是嫦娥五號探測器的最終繞月軌道。
嫦娥五號近月制動示意圖 （圖源：航天科技集團八院）
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組合體分離
在經歷地月轉移、兩次近月制動和環(huán)月飛行后，嫦娥五號探測器的下一步是著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離，“糖葫蘆”分成了兩串。11月30日凌晨4時30分，兩對四器組合體成功分離。軌道器攜返回器留軌運行，著陸器載上升器擇機實施月面軟著陸。
嫦娥五號探測器組合體成功分離三維模擬圖（圖源：新華社發(fā)布，北京航天飛行控制中心供圖）
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著陸月面
12月1日23時11分，嫦娥五號探測器在月球正面（永遠朝向地球的半球）西經51.8度、北緯43.1度附近著陸，該地為月球最大的月?！L暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，緯度較高。著陸器配置的降落相機拍下了嫦娥五號探測器在下降過程中的影像圖并傳回。這也是首次有探測器落地于這一區(qū)域。
嫦娥五號探測器拍攝的月表畫面（圖源：中國探月與深空探測網）
嫦娥五號探測器軟著陸后降落相機拍攝的圖像 （圖源：中國探月與深空探測網）
探測器降落示意圖 （圖源：中國探月與深空探測網）
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月面采樣
為了獲得盡可能豐富的月球樣品，嫦娥五號探測器采用鉆具鉆取和機械臂表取兩種采樣方式，且在多個地點進行采樣。12月2日4時53分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了鉆取采樣及封裝。12月2日22時，嫦娥五號探測器完成所有月面無人采樣工作，并將２公斤重的月球樣品封裝保存至上升器所攜帶的貯存裝置中。這也是中國第一次自主采集月壤。
月球表面自動采集現場 （圖源：中國探月與深空探測網）
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月面上升
12月3日23時10分，嫦娥五號上升器準時點燃引擎，攜帶月壤進入預定環(huán)月軌道，實現我國首次地外天體起飛。
嫦娥五號上升器飛行過程（圖源：新華網，北京航天飛行控制中心拍攝）
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交會對接與樣品轉移
上升器進入環(huán)月飛行軌道后，軌道器和返回器組合體逐步靠近上升器，并在12月6日5時42分以抱爪方式捕獲上升器，順利完成交會對接。所謂抱爪，即像手掌握住木棍一樣，“抓住”上升器連接面上的三根連桿。由此，規(guī)返組合體便可與上升器緊密對接。整個對接過程在21秒內完成，1秒捕獲、10秒矯正、10秒緊鎖，步步緊扣。隨后，上升器將月球樣品容器轉移到了返回器上。這是我國航天器首次實現月球軌道交會對接。12月6日12時許，上升器與軌返組合體順利在軌分離。
軌道器與上升器完成交會對接 （圖源：中國探月與深空探測網）
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環(huán)月等待與月地轉移
12月12日9時54分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體經歷了大約6天的環(huán)月等待，實施了第一次月地轉移入射，類似于“踩一腳油門”，通過軌道機動進入到月地轉移軌道。
在與著陸器和上升器分離之后，嫦娥五號探測器由原先的8噸減輕為2噸。如果沿用大推力發(fā)動機，就會導致探測器加速度過大，從而影響軌道入射精度。因此，嫦娥五號探測器采用了多臺小推力發(fā)動機同點火的方式。為了達到足夠的飛行速度，又需進行第二次點火。12月13日9時51分， 嫦娥五號軌道器和返回器組合體在距月面約230公里處實施四臺150牛發(fā)動機點火，發(fā)動機在大約22分鐘后正常關閉。根據實時遙測數據監(jiān)視，軌道器和返回器組合體成功進入月地轉移軌道，第二次月地轉移入射成功。
第一次月地轉移入射示意圖 （圖源：中國探月與深空探測網）
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軌道器和返回器分離
2020年12月XX日XX時XX分，在距離地表約5000公里的高度時，承擔運輸任務的軌道器與返回器成功分離。攜帶著月球樣品的返回器將獨自“歸家”。
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著陸地球
2020年12月17日XX時XX分XX秒，“嫦娥五號”從天際飛來，順利著陸于內蒙古中部草原的四子王旗航天著陸場。這標志著我國探月工程“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃取得成功。
制版編輯 | 盧卡斯
