完美归队！嫦娥五号一记全垒打，捎来月亮“土味”情话

随着12月17日凌晨嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，我国探月工程三步走规划完美收官。

“心至苍穹外,目尽星河远。”对于中国航天人来说，为了探索和接触遥挂天空的月亮，经过16年努力，中国探月工程取得了“六战六捷”的优异成绩。从嫦娥三号、玉兔号到嫦娥四号、玉兔二号，再到嫦娥五号，精彩演绎了探月之旅。

在12月17日下午举行的国新办发布会上，中国国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华介绍道，嫦娥五号是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，首次实现了我国地外天体采样返回。此次任务的成功实施，是我国航天事业发展中里程碑式的新跨越，标志着我国具备了地月往返的能力，实现了“绕、落、回”三步规划走完美收官，为我国未来月球与行星探测奠定了坚实基础。

九天云外揽月回

作为21世纪人类首次月球采样返回任务，带着月球“土特产”的嫦娥五号顺利返回标志着中国航天向前迈出一大步。

嫦娥五号探测器重达8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成，任务实施由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控与回收、地面应用等五大系统共同完成，是我国探月工程“绕、落、回”三步走规划中“回”的主任务。

吴艳华介绍，嫦娥五号任务创造了五项中国首次：一是在地外天体的采样与封装，二是地外天体上的点火起飞、精准入轨，三是月球轨道无人交会对接和样品转移，四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。“过去的23个日日夜夜，嫦娥五号完成了一次对接、六次分离，两种方式采样、五次样品转移，经历了11个重大阶段和关键步骤。”

先是11月24日长征五号准时并成功发射，之后探测器地月转移、近月制动、两两分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交会对接及样品转移、环月等待、月地转移，今天再入返回、安全着陆，整个工程任务现在转入了科学研究的新阶段。

“以嫦娥五号任务圆满成功为起点，我国探月工程四期和行星探测工程将接续实施。目前，首次火星探测任务天问一号正在奔火的征程；嫦娥六号、七号、八号，小行星探测、火星取样返回、木星系探测等工程任务也将按计划陆续实施。”吴艳华表示。

吴艳华透露，对于月球样品，主要有三类用途：最主要的目的，取样是为了进行科学研究；第二类，有一部分样品将入藏国家博物馆，向公众展示，进行科普教育；第三类，一般依据国际合作的公约和多边双边的合作协议，将发布月球样品和数据管理办法，与有关国家和世界的科学家共享，也有一部分按照国际惯例，可能作为国礼相送。

中国科学院国家天文台研究员、探月工程三期副总设计师李春来补充，对于采回的月球样品，我们会妥善存储，包括异地灾备存储考虑。绝大部分样品会用于科学研究，我们会在实验室进行长期的、系统的对月球样品的研究工作，包括它的结构构造、物理特性、化学成分、同位素组成、矿物特点和地质演化方面，希望能够深化我们对月球的起源、演化方面的认识。

突破难点、自主创新

相比较于以往的任务，嫦娥五号任务有哪些难点和创新点？

国家航天局探月工程三期总设计师胡浩介绍称，作为探月工程三期的嫦娥五号任务，应该说和前期任务比，技术跨度是比较大的。

探月工程实施到今天，前面已经成功实施了嫦娥一号、二号、三号、四号和我们的返回试验，五次任务都取得了圆满成功，每次任务都比前一次有较大的进步。

胡浩说，对于嫦娥五号任务来讲，这次与嫦娥三号、四号比，应该说跨度更大。“我们前面是在月球上进行巡视勘察，这次主要是采样返回。为了能够可靠地实施嫦娥五号任务，就要突破在月球上采样返回碰到的新技术，怎么能够实现在月球上可靠地采样，并且把月球的样品可靠地封装到真空容器当中，并且在月球上进行转移，转移到我们自身的返回系统当中去，这整个的过程和前面相比都是新的，都是有创新性的。”

“在月球轨道上，我们留了轨道器。为了能够多采一些样品，我们在月球轨道上还要搞一次交会对接，月球轨道的交会对接和地球轨道也有很大的不同，一是目标比较小，月球又比较远，要求的自主能力就比较强，同时测控手段有限、支撑的条件也有限，所以交会对接也是我们要克服的难点，也是创新点。”

而从月球轨道回来、再入大气是接近第二宇宙速度，这和以前的不管是载人航天还是再入（地球轨道）任务来比，速度快了很多，对热的、控制能力的、精度的影响都很大，这也是个重要的突破。“所以，我们五个首次是这次嫦娥五号任务所面临的新的挑战。实际上，对我们整个工程来讲，恐怕还不止这五个方面，因为作为国家的重大科技专项，我们在立项之初，自主创新是我们的目标，也是我们的主旨。”

探月工程背后的上海力量

嫦娥五号探测器由4个部分组成，其中，由中国航天科技集团八院（下称“八院”）研制的轨道器，作为贯穿任务全过程的核心产品，是名副其实的“太空邮差”。

嫦娥五号着陆器与上升器组合体成功采样之后，携带月壤的上升器是无法利用自身的动力返回地球的。必须通过“太空物流”的形式将货物安全带回。因此，采用类似“天宫”“神舟”这样的交会对接方式是最好的“搭乘”办法。

按照计划，在月球轨道，由上升器和轨道器完成首次月球轨道交会对接，并将月球土壤样品“包裹”转移至返回器内。轨道器就像在月球轨道环绕的“邮差”，完成“打包”和“装箱”后，迅速进入月地转移轨道执行隔空投送，将月壤样品捎回蓝色星球。

根据任务要求，嫦娥五号轨道器需在自身干重1吨多情况下，头顶3.7吨的着陆上升组合体、肚装3吨推进剂和300多公斤的返回器，并在飞行过程中依次分离着陆上升组合体、对接与样品转移机构和返回器，是我国首个具有大承载、分离面多特点月球探测飞行器。

捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外的飞行器上实现却远远没有那么简单。

自嫦娥五号轨道器立项起，八院探月工程负责人、嫦娥五号探测器副总指挥张玉花就带领团队“白手起家”，展开了攻坚研制之旅。

“作为世界首次月球轨道无人交会对接，可以说对此次任务成败起决定性作用。”张玉花说，单从交会对接与样品转移任务来看，可靠性是要求最高的，因为整个过程只能一次成功，没有第二次机会。

另外，探月工程三期任务最引人瞩目的当属首次在38万公里之外的月球轨道上进行交会对接，将装有月壤的样品容器从上升器转移至返回器中。为了确保“抓得住，抱得紧，转得稳”的既定目标，精准可靠控制抓捕机构和转移机构是关键。

为了完成技术攻关，轨道器副总师胡震宇与对接与样品转移分系统时任主任设计师郑云青和年轻的团队成员调研国内外对接机构设计，开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计，上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种，通过多轮方案比较及关键技术攻关，最终确定了现在的抱爪式对接方案和连杆棘爪转移方案。

另外，地月“快递”热控也有不小难度。本次探测中，嫦娥五号轨道器热控系统研制任务由八院509所热控团队承担。

热控团队副主任设计师张彧介绍：“在整个飞行阶段，轨道器需历经19个飞行阶段、8种飞行姿态及5种不同的构型，飞行过程中要经历极为恶劣的热环境，长期经受太阳、月球和空间低温的交替，引起轨道器外表面高低温的剧烈变化，其温度范围可从摄氏零下二百多度变至上千度以上。”

面对巨大的外热流和内功耗剧烈变化，轨道器需要设计较大的散热面以满足高温散热需求，低温时则需要消耗较多的电加热功耗来保温，采用传统热设计会占用大量资源。

通过大量的仿真、试验，热控团队探索出一套错峰补偿的控温策略。也就是，通过对在轨卫星海量运行数据的挖掘，建立准确的温度场在轨预测模型，然后“对症下药”，针对每台设备提出热控系统自主管理模式，实现热控系统在近月制动、交会对接等关键阶段的用电高峰期时加热功耗为0的目标。

作为探月工程嫦娥五号测控与回收系统的重要组成部分，上海天文台牵头的中国甚长基线干涉测量（VLBI）网与现有航天测控网，共同完成嫦娥五号探测器各飞行段的测定轨及定位任务。我国的VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心（VLBI中心）组成，在嫦娥五号关键测控过程中，发挥了不可替代的重要作用。

第一财经记者从上海天文台获悉，在嫦娥五号任务中，VLBI参加了地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、动力上升、交会对接、环月等待和月地转移等9个飞行段探测器的相对差分单向测距（ΔDOR）测量及轨道确定和预报；确定了月面着陆点及月面起飞点的精确坐标，完成了月面起飞及入轨测定、轨道器与上升器交会对接远程导引、月地转移段的轨道器与返回器分离点预报，以及上升器受控撞月及撞击点坐标与时刻测量等任务。

这些工作支持了嫦娥五号，首次实现我国月球表面采样、月面起飞、月球轨道无人交会对接等高难度任务及月球样品再入返回的工程目标。

中国基础研究投入快速增长

“嫦娥五号”探测器连续实现我国航天史上首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接、带样返回等多个重大突破，背后是我国基础研究实力的提升。

推动社会进步需要依靠新的技术和新的知识，根据斯坦福大学经济系教授查德·琼斯（Chad Jones）的一项研究，基础研究投入所产生的社会回报率至少能够达到30％。近年来，中国政府正在基础研究方面加大投入，而美国的投入却在减少。

但是，自美国首次实现登月计划以后的几十年中，美国对基础研发的投资不断减少。与上世纪70年代初相比，美国国家航空航天局的支出下降了一半以上。去年，美国联邦研发总支出仅占所有联政府支出的2.8％，占其国内生产总值（GDP）的0.6％，创下了60年来的最低水平。美国联邦研发支出曾在1965年苏联发射人造卫星后达到顶峰，占联邦支出的11.7％，占GDP总值的2.2％。那时的前沿发现推动了互联网和全球导航系统GPS的出现。

根据美国国家科学基金会的评估报告，从2000年到2017年，中国的研发支出以年均17％的速度增长，从而“迅速缩小了与美国创新的差距”。美国国家科学基金会的一位官员评论称，2019年的初步数据表明，中国的研发总支出已超过美国。