原标题：观察|带一捧月壤回乡
来源：中央纪委国家监委网站
11月24日，我国在中国文昌航天发射场，用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。图为长征五号遥五运载火箭发射场景。（图片来源：视觉中国）
月色未尽时，嫦娥再赴广寒约。
11月24日4时30分，在海南文昌航天发射场，长征五号遥五运载火箭（以下简称长五火箭）点火升空，托举嫦娥五号探测器至地月转移轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。
嫦娥五号发射，是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战。据中国探月工程副总设计师、航天科技集团科技委副主任于登云介绍，嫦娥五号将实现我国航天史上四个“首次”：首次在月球表面自动采样，首次从月面起飞，首次实现月球轨道无人交会对接，首次带月壤高速再入返回地球。
嫦娥五号是迄今为止我国研制的最复杂的航天器系统，四个“首次”背后是空前挑战
嫦娥五号，是嫦娥探月家族的最新成员。上一次“嫦娥”奔月还是在2018年年末，在飞行约40万公里后，嫦娥四号探测器成功降落于月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，实现了人类探测器首次月球背面软着陆。
这一回，嫦娥五号任务不同，四个“首次”是其最大亮点。嫦娥五号探测器将重点实现突破一系列关键技术、完成首次地外天体自动采样返回和完善探月工程体系三大工程目标。
目标激动人心，挑战也更加艰巨。嫦娥一号和嫦娥二号分别是一颗单独的卫星，嫦娥三号和嫦娥四号分别由着陆器和月球车两器组成，而嫦娥五号由着陆器、上升器、轨道器、返回器4器组成，包含15个分系统，是迄今为止我国研制的最复杂的航天器系统。
结构复杂，是由任务本身的复杂性决定的。据中国航天科技集团第五研究院（以下简称五院）技术专家介绍，嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地入射、地球大气高速再入返回等六个关键环节。
嫦娥五号的4个器并非各自独立。其中，着陆器和上升器组成“摘月战队”，共同开展月面工作。当“摘月战队”顺利软着陆在月球表面，嫦娥五号将开始为期2天的月面工作。它将在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近登陆，钻取约2米深的月壤岩芯柱，采集约2千克重的月壤样品。
表钻结合，多点采样。五院技术专家们精心设计了两种“挖土”模式：钻取和表取。嫦娥五号随身携带钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”，采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等方式采集月壤。
月球引力只有地球的六分之一，在这种环境下钻孔、铲挖、把样品封装进上升器，对探测器技术要求极高。“采样时序紧张，动作多，装置也是全新研制的，需要考虑探测器的测控、光照条件、月面高温等约束，不确定因素多。”五院技术专家说。
据悉，在经过发射入轨、地月转移等11个阶段、约23天的在轨飞行后，嫦娥五号将携带约2千克密封封装的月壤回到地球。
在月球轨道上进行无人交会对接，不仅是我国首次，在人类航天史上也前所未有
完成月壤采样封装后，嫦娥五号将踏上回家之路。把月球“特产”带回地球，这可不是一件简单的事。
迈好第一步至关重要，这涉及到突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。
这是一个高难度科目。以往都是地面固定发射，有一套完备的发射塔架系统，点火起飞位置、飞行轨道都经过精确测算。在环境复杂的月面，以着陆器为平台发射上升器，没有平坦规整的起飞地，没有成熟完备的发射塔架，更没有地面人员测调确认，怎么导流、怎么散热、如何控制，都是新课题。
“着陆器不一定是四平八稳的状态，很可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形上，这给起飞带来难度。此外，还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。”五院技术专家说，航天器必须“自力更生”，研制团队进行了大量试验验证，建立起一套环环相扣的系统保证任务，实现起飞时自主定位、定姿。
着陆器托举着上升器完成月面起飞上升，但仅仅依靠上升器是不可能返回地球的。它需要飞到月球轨道上，与轨道器和返回器组成的“返地战队”（轨返组合体）交会对接，像传接力棒一样，把月壤转移到返回器。
经过几十年的实践探索，我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，但是在月球轨道上进行无人交会对接，不仅是我国首次，在人类航天史上也前所未有。
作为“太空邮差”，嫦娥五号轨道器如何做到“鸡蛋壳上挂秤砣”
太空对接差之毫厘、谬以千里。人类此前三次无人月球采样任务，由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案；嫦娥五号则采用具有世界先进水平的月球轨道交会对接技术。为此，从上升器进入环月飞行轨道开始，一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移，嫦娥五号研制团队设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作，助推嫦娥五号实现对接。
轨道器是名副其实的“太空邮差”——它将在相距38万公里的地球和月球之间，架起一条太空“物流”的特殊通道，既承担地月往返运输任务、将“乘客”安全送往目的地，又在太空中完成货品“接收”“装箱”，将珍贵的月壤投送回地球。
“轨道器在轨共有5次分离，6种组合体状态，承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，是目前最复杂的空间飞行器之一。”中国航天科技集团第八研究院（以下简称八院）嫦娥五号探测器副总设计师查学雷告诉记者，针对飞行状态多、器间接口多、工作模式多等特点，研制团队突破了高可靠连接分离技术等4项关键技术。
受探测器整体重量约束，轨道器在具备强大的承载能力的同时，还得“身轻如燕”。据八院技术专家介绍，轨道器首次创新使用多次分离复杂构型，首次采用大承载复合材料一体成型插层变厚度承力球冠技术等七项创新技术。“仅46公斤的承力球冠能承载3吨的贮箱，极限承载能力达30吨，做到了‘鸡蛋壳上挂秤砣’。”
“零窗口”发射要求高，长五火箭挑战高难度动作
护送嫦娥五号，唯有长五火箭堪当此任。
身高约57米，起飞重量约870吨，起飞推力超过1000吨，长五火箭是目前我国运载能力最大的火箭。这次搭载的“乘客”嫦娥五号重达8.2吨，是我国目前发射的最重探测器。
“在长征火箭家族中，只有长征五号运载火箭可以将这么重的载荷直接送入近地点约200公里、远地点约41万公里的地月转移轨道，这是对运载火箭能力的集中检验。”中国航天科技集团第一研究院党委书记、长征五号运载火箭第一总指挥李明华说。
当许多人还在睡梦中时，长五火箭已经载着嫦娥五号出发。这次发射为何选在凌晨呢？
除了凌晨天气状况较稳定、减少太阳活动影响、方便观测等原因外，发射窗口是决定性因素，即适合火箭发射的时间范围。范围大小也叫做发射窗口宽度，宽度有宽有窄，宽的以小时甚至以天计算，窄的以分钟甚至秒计算。
由于地月相对位置以及轨道设计等因素限制，此次发射是一次接近于“零窗口”的发射，发射窗口只有50分钟；一旦在发射窗口内不能实施发射，嫦娥五号的奔月计划就会受影响。
常规任务中，一枚火箭有一条轨道即可，但嫦娥五号对火箭发射概率和发射窗口提出了更多要求。中国航天科技集团第一研究院长征五号火箭总体副主任设计师刘秉说，与近地轨道任务相比，探月任务的轨道设计更加复杂。“由于地月距离较远且相对位置不断变化，探测器用于中途修正的推进剂有限，还要考虑箭器分离后的光照因素，对轨道设计提出了非常高的要求。”
窗口窄，“争分夺秒”尤为重要。“为了确保火箭准时发射，我们采用变射向、变滑行时间的多轨道奔月发射方案，应用‘窄窗口多轨道’技术，针对50分钟的发射窗口分别设计了5条发射轨道，每条轨道对应10分钟的发射窗口。”中国航天科技集团第一研究院长征五号运载火箭总设计师李东说。
长五火箭点火升空后，要飞行一段时间才能到达地月转移轨道。为了把嫦娥五号精准送达目的地，它要在太空完成一个高难度动作——长时间滑行。
滑行，是指火箭主发动机关机后，火箭靠惯性向前飞行。听上去毫不费力，但实际上，长时间滑行对火箭来说是不小的考验。
从长五火箭二级发动机一次关机到再次点火，中间要间隔最长约935秒。一开一关之间，火箭要完成箭体姿态调整、真空状态下推进剂沉底等工作，动作非常多。“滑行时间越长，火箭在空间辐射影响下的环境变化越复杂，低温推进剂温度和贮箱承受的压力也在不断变化。”刘秉说，从立项之初，研制团队就将长时间滑行作为关键技术加以攻克，并在长五火箭首飞以及后来多次飞行中得到了成功验证。
采集月壤将助力月球成因和演化历史等科学研究
如果一切顺利，嫦娥五号探测器将在经历地月转移、近月制动、环月飞行等阶段后翩然落月，开展月面工作并带着月壤重返地球。
50年前，苏联月球16号将101克月壤样本带回地球，这是人类历史上第一个实现月球无人自动取样并送回地球的探测器。
对于月球，我们在探索什么？又为何充满期待？
月球是资源富饶的“矿场”。作为世界公认高效、清洁、安全的可控核聚变发电燃料，氦-3在解决地球能源危机与环境问题上被寄予厚望。据中国探月工程首任首席科学家欧阳自远估算，全中国只需8吨氦-3，全世界只需100吨氦-3，就可满足人们一整年的能源需求。不过，氦-3在地球上的蕴藏量极少，全球已知且易取用的只有500公斤左右；而前期嫦娥工程探明，月壤中的氦-3储量达上百万吨。
月球也是人类遨游太空的理想“补给站”。若月球上证实存在足量“水冰”（水或融水在低温下固结的冰），那意味着火箭燃料准备、氧气和饮用水制备、建立长期基地等都可能在月球上梦想成真。
以上梦想能不能实现？月球还有哪些奥秘有待发掘？科学家或许可以从月球样品中寻找答案。助力深化月球成因和演化历史等科学研究，也是嫦娥五号去月球“钻岩挖土”的意义所在。
“月壤是指覆盖在月球基岩层之上全部风化物质，甚至包括或卧、或埋于粉状风化物中的直径数米的岩石。”行星科学专家、中国科学院国家天文台研究员郑永春在接受记者采访时说道，月壤包含大量信息，既是研究月壳岩石圈组成分布特征和地月系演化历史的绝佳样本，也为了解太阳活动历史等提供必要信息。
1978年，时任美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时，向中国赠送了1克月球岩石标本。这块黄豆大小的石头被一分为二，一半送去北京天文馆向公众展出，另一半由时年43岁的欧阳自远主持展开研究。欧阳自远回忆，“我们花四个月全面解剖，把它的化学成分、矿物组成、演化历史等全弄清楚了。”
研究得再透、分析得再好，石头不是自己的，1克也终究不够用。什么时候中国也能拥有自己的月岩样本？
42年如白驹过隙，从首次接触月岩到自主采集月壤，从1克到2000克，嫦娥五号肩负使命向月行。
“绕、落、回”三步走迎来收官，嫦娥系列还将实施第二次采样返回
“探、登、驻”“绕、落、回”——这是中国探月工程的关键六字。
2004年1月，我国月球探测工程全面启动，分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地（短期驻扎）”三个阶段；而“无人月球探测”又分为“绕、落、回”三步走，即实现环绕月球探测，实现月面软着陆和自动巡视勘察，实现无人采样返回。嫦娥五号发射，标志中国探月工程“绕、落、回”三步的最后一步即将完成，“探、登、驻”三大步第一阶段开始收官。
在嫦娥五号任务中，最终携带样品返回地球事关任务成败。我国此前尚没有地球轨道以外的航天器完成过再入大气层的返回、着陆与回收经历。2014年11月1日，为嫦娥五号探路的再入返回试验器“嫦娥5T”按既定方案平安着陆，为嫦娥五号再入返回积累了宝贵经验。
探月工程，是我国继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功后，航天事业发展的又一里程碑。从嫦娥一号拍摄的全月球影像图，到嫦娥二号首次实现我国对小行星的飞越探测，再到嫦娥三号成功实现落月梦想、嫦娥四号实现人类探测器首次月背软着陆揭开月球背面神秘面纱……
后续，中国探索月球的步伐依旧稳健：嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号等探测器还将实施第二次采样返回、月球极区资源详查以及一些关键技术的月面试验和技术利用。
十六春秋绕落回，九天揽月梦成真。火箭起飞后，发射基地附近的夜空被照亮；附近海滩上，前来观看的人群举起相机定格飞天一瞬的壮美，发出一片赞叹。
“嫦娥五号是我国无人月球探测的收官之战，以后，我们还要建月球基地，载人登月也在筹备当中。”对于嫦娥五号奔月，欧阳自远满怀期待：“我们还要探测太阳系的其他行星，向星辰大海挺进。中国航天前景宏伟，希望一步步完成艰巨的任务。”（中央纪委国家监委网站柴雅欣）
