(中國焦點面對面)“嫦五”探月有何難？月球“挖土”有何用？
中新社北京11月24日電 題：“嫦五”探月有何難？月球“挖土”有何用？
——專訪中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器總體副主任設計師李青
作者 張素 郭超凱
11月24日4時30分，長征五號遙五運載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器，順利將探測器送入預定軌道，開啟中國首次地外天體采樣返回之旅。
這是中國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰(zhàn)，更是中國航天領域迄今為止最復雜、難度最大的任務之一?！版衔濉碧皆掠泻坞y？月球“挖土”有何用？24日，中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器總體副主任設計師李青接受中新社“中國焦點面對面”專訪，進行權威解讀。
訪談實錄摘編如下：
中新社記者：為什么這次發(fā)射窗口時間會選在凌晨，最佳發(fā)射時間要滿足什么條件？
李青：最佳發(fā)射時間取決于任務設計。嫦娥五號探測器最主要的任務是完成月面采樣。要保證采樣過程中具有最佳測控狀態(tài)，我們希望在地球的深夜、月球的白晝去完成。這個時候也相當于我們所說的滿月狀態(tài)，滿月時對月球具有最佳的觀測條件，也具有最佳的測控條件，受到這些條件約束，我們經過軌道計算反衍出最佳發(fā)射時間是在凌晨4時30分左右。
11月24日4時30分，中國在文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙五運載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器。駱云飛 攝
中新社記者：從嫦娥一號到嫦娥五號，請您帶我們回顧一下中國的探月歷程。
李青：中國探月工程按照“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略，目前已成功執(zhí)行五次任務。
嫦娥一號于2007年10月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，在完成預定的環(huán)繞探測任務后，于2009年3月成功受控撞月。
嫦娥二號作為二期工程的先導任務，于2010年10月成功發(fā)射，在對嫦娥三號準備著陸的虹灣地區(qū)進行高分辨率成像之后，于2011年4月開始拓展任務，完成進入日地拉格朗日L2點環(huán)繞軌道的技術試驗，隨后飛越圖塔蒂斯小行星并傳回照片，目前已成為中國飛離地球最遠的探測器，也開啟了中國多目標深空探測的先河。
嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器組成，于2013年12月成功發(fā)射并安全著陸于月球正面虹灣地區(qū)，著陸后巡視器與著陸器分離，分別完成了預定的月面探測任務。
嫦娥五號飛行試驗器主要用于驗證半彈道跳躍式再入返回技術，于2014年10月成功發(fā)射，在經歷地月轉移、月球近旁轉向、月地轉移之后，返回器與服務艙分離并進行再入返回，最后成功著陸于內蒙古四子王旗預定區(qū)域。
嫦娥四號在嫦娥三號的基礎上進行適應性改進，選擇月球背面開展著陸和巡視探測任務，并發(fā)射中繼星“鵲橋”以解決通信問題，已于2019年1月成功著陸在月球背面南極-艾特肯盆地，成為世界首個在月球背面實現軟著陸巡視探測的航天器，目前仍在正常工作。
這次(執(zhí)行任務)的嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成。根據最新消息已于今天凌晨4點30分左右由長征五號遙五運載火箭發(fā)射，目前已成功進入地月轉移軌道。
中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器總體副主任設計師李青接受中新社“中國焦點面對面”專訪。中新社記者 張興龍 攝
中新社記者：您是否可以為我們詳細介紹一下嫦娥五號這次的任務？
李青：中國嫦娥五號探測器的目標任務是：實現月面自動采樣返回，采集約2千克月球樣品返回，開展月球樣品地面分析研究。
整個任務飛行過程分為11個階段，總飛行時間約23天。
第一個階段是發(fā)射入軌段。探測器由長征五號運載火箭發(fā)射升空，器箭分離后進入地月轉移軌道。這個階段在今天已經完成了。
第二個階段是地月轉移段。探測器沿地月轉移軌道飛行約5天，到達軌道高度約為200公里的近月點附近，期間將經歷1至3次中途修正。
第三個階段是近月制動段，(即)“剎車”。探測器在近月點附近，實施一次近月制動，進入近月點高度200公里的環(huán)月橢圓軌道；在環(huán)月橢圓軌道運行三圈后，實施第二次近月制動，進入平均高度200公里的環(huán)月圓軌道。近月制動過程飛行時間約1天。
第四個階段是環(huán)月飛行段。探測器在環(huán)月圓軌道飛行約4圈后，著陸上升組合體與軌返組合體實現分離，軌返組合體繼續(xù)環(huán)月飛行，著陸上升組合體在環(huán)月軌道上運行約12圈后，實施兩次降軌變軌，進入近月點約15公里、遠月點約200公里的橢圓軌道。
第五個階段是著陸下降段。著陸上升組合體在環(huán)月橢圓軌道上繼續(xù)運行約10圈后，擇機實施著陸下降，在月面預定區(qū)域進行軟著陸，著陸下降過程約15分鐘。
第六個階段是月面工作段。著陸上升組合體著陸后，采用鉆取和表取兩種采樣方式，完成月壤的采樣和封裝；同時，有效載荷開展就位探測；采樣結束后，對上升器進行月面定位，完成上升器起飛狀態(tài)準備。月面工作時間約2天。
第七個階段是月面上升段。月面工作完成后，上升器以著陸器為平臺起飛，經過垂直上升、姿態(tài)調整、軌道入射，進入近月點15公里、遠月點180公里的上升目標軌道，飛行時間約6分鐘。
第八個階段是交會對接與樣品轉移段。上升器進入目標軌道后，通過實施四次軌道機動，最終導引至高度為210公里的環(huán)月圓軌道上。上升器遠程導引時間約2天。當上升器位于軌返組合體前方50公里左右、上方10公里左右的位置時，開始進入近程自主控制段。軌返組合體為主動飛行器，上升器為目標飛行器，建立對接?？克璧某跏紬l件，開始對接。軌道器對接機構捕獲鎖定上升器后，樣品轉移機構開始動作，將上升器中的樣品容器轉移至返回器內部，完成樣品轉移操作；之后軌返組合體擇機與上升器及對接艙分離。
第九個階段是環(huán)月等待段。軌返組合體在環(huán)月軌道上停留5至7天，等待月地轉移窗口。
第十個階段是月地轉移段。軌返組合體在月地轉移窗口到達后，通過實施兩次軌道機動，進入月地轉移軌道。月地轉移飛行時間約4至5天，期間通過實施1至3次中途修正，以滿足返回器再入點參數的要求。
第十一個階段是再入回收段。當軌返組合體距離地球表面高度約為5000公里時，軌道器與返回器解鎖分離。分離后軌道器進行規(guī)避機動，返回器以半彈道跳躍式再入方式返回地球，并在10公里高度開傘，最終落至內蒙古四子王旗著陸場。
中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器總體副主任設計師李青接受中新社“中國焦點面對面”專訪。中新社記者 盛佳鵬 攝
中新社記者：通俗來說這次任務是“抓一把土返回地球”?！斑@一把土”是什么樣的“土”？為何選擇帶回這樣的樣本？將對今后科研工作有何幫助？
李青：嫦娥五號探測器設計了兩種采樣方式，分別是鉆取采樣和表取采樣。鉆取采樣是用一個約2米(長)的鉆桿鉆入月表內部，采集兩米深度、約0.5千克的樣品。表取采樣是用機械臂進行多點采樣，采樣區(qū)域包括平地，撞擊坑、凸起、小石塊都可以作為采樣樣品，這些樣品的分布不同，具有不同地質特點，也有不同演化歷史，可以大幅提高科研價值。鉆取采樣和表取采樣后分別進行封裝，再對樣品容器進行密封，以保證樣本在返回過程中不受到外界環(huán)境的污染。
中新社記者：這次任務被稱為迄今為止航天領域最復雜、難度最大的任務之一，您如何定義“最復雜、難度最大”？任務難點究竟在哪？
李青：嫦娥五號探測器任務技術難點主要表現在軌道設計、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉移等方面。
首先是月球軌道設計復雜。因為嫦娥五號探測器的飛行階段多，各個階段軌道方案耦合緊密，涉及測控、運載和著陸場的多種限制，約束條件多，飛行過程還涉及月面起飛、軌道交會對接、月地軌道等新的飛行階段，在以前“繞”和“落”任務中是沒有涉及的。飛行過程復雜，軌道設計難度較大，在標稱軌道設計方案上還需要考慮推進劑資源受限的情況下制訂各種預案，對軌道設計也是全新的挑戰(zhàn)。
第二是月面采樣封裝技術，這是全新的技術，也是嫦娥五號月球無人采樣返回任務的核心環(huán)節(jié)之一。該任務采用鉆取和表取結合，多點采樣方式，采樣裝置是全新研制，技術新、難度大，需要考慮飛行任務及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束，采樣期間面臨月面持續(xù)高溫的工作環(huán)境，同時采樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。
第三是月面起飛上升驗證比較難。由上升器、著陸器和月面構成的月面起飛系統(tǒng)，其初始狀態(tài)源自著陸上升組合體著陸月面的場坪條件、著陸的姿態(tài)及方位等條件，月面起飛初始條件無法像運載火箭和導彈一樣在地面由地面人員完成測調和確認，必須依靠自主定位定姿方式確定起飛的初始狀態(tài)。面對傾斜發(fā)射的情況，需要明確起飛穩(wěn)定性的各種因素及其耦合的影響，依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現精確入軌。與常規(guī)的航天器面臨的羽流環(huán)境不同，上升器發(fā)動機在受限空間中點火是有非常復雜的羽流力熱效應，需要通過大量的地面仿真和試驗去進行驗證。
第四是月球軌道交會對接與樣品轉移自主要求高。與近地軌道交會對接不同，嫦娥五號月球軌道交會對接沒有衛(wèi)星導航信號的支持，對接與樣品轉移過程的自主要求很高。同時在月球交會對接過程中，地面測控支持能力受到限制，受到對接機構大小的限制，對接精度要求較高。嫦娥五號探測器對接與樣品轉移機構在保證對接精度的同時還必須滿足樣品轉移的相關要求。對接機構與樣品轉移機構的一體化設計，也是該技術研究中的難點。
中新社記者：“繞、落、回”中“回”是關鍵一步，請問我們希望達到什么科學目標？
李青：作為中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號任務意義重大、影響深遠、舉世矚目。三步走目標中“繞”是完成了中國首次月球環(huán)繞探測任務，“落”是完成了中國首次月球軟著陸和巡視探測任務。最后“回”的關鍵一步將實現中國首次月球無人采樣返回任務，包括多個首次：首次月面自動采樣與封裝、首次月面起飛上升、首次月球軌道交會對接、首次帶月壤高速(再入)返回地球、首次自取月球樣品的存儲、分析和研究。
嫦娥五號任務的科學目標主要是開展著陸點區(qū)域形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯(lián)系；對月球樣品進行系統(tǒng)、長期的實驗室研究，分析月壤的結構、物理特性、物質組成，深化月球成因和演化歷史的研究。
11月24日4時30分，中國在文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙五運載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器。駱云飛 攝
中新社記者：您說到多個首次，也提到“繞、落、回”三步走具有深遠影響。這在幫助我們認識月球的問題上會有重大突破嗎？
李青：完成探月三步走標志著中國掌握了全面的月球無人探測技術。通過探月工程的研究成果，大幅提高了中國科學家對月球地形地貌及地質構造、物質成分、月壤特性、月面環(huán)境等的全球性、整體性與綜合性的認識，使中國掌握了第一手的月球探測數據，為后續(xù)的月球探測工程和月球科研站選址與建設提供了科學依據。
中新社記者：探月工程中還有一個“網紅”是玉兔二號月球車，據了解它已完成自主喚醒并開始新一輪月晝工作期。能否介紹玉兔二號與嫦娥五號有什么不同？
李青：“玉兔”月球車實際上指的是“嫦娥”著陸器所攜帶的巡視器?！坝裢靡惶枴痹虑蜍囀擎隙鹑柼綔y器的巡視器，“玉兔二號”月球車是嫦娥四號探測器的巡視器，因此它們都是嫦娥探測器的一部分。
“嫦娥”著陸器除了保證整個探測器安全著陸以外，還具備原位探測功能，通過長時間的原位探測可以獲取著陸區(qū)附近比較詳細的探測數據以及時間歷程。而“玉兔”月球車具有移動裝置，主要用于巡視探測，可以大幅擴展月面探測的范圍。這兩種探測方式相互補充、相互結合，有利于提高探測的效率。
中新社記者：依托我們所拿到的月球科研數據，您認為是否可以像現代科幻片里那樣建立我們的月球家園？
李青：嫦娥奔月的神話傳說寄托了中國古人對月球的美好幻想。根據目前月球探測歷程所取得的成果和未來的月球探測計劃，建立月球家園——也就是建立支持長期人員生存的綜合型月球科研站，或者叫月球村——實際上已經被提上計劃日程，從技術上講雖然還有很多關鍵技術有待去突破，但是應該已經沒有太多科幻成分。這也是人類航天事業(yè)發(fā)展的大勢所趨。
但我要強調的是，一以貫之，久久為功。在政策的持續(xù)支持下，在長期和平的國內和國際環(huán)境下，在長期良好的國際合作氛圍下，更在所有航天工作者不懈的努力下，這一天才有望早日到來。(完)