探测器首次近月制动正常，顺利进入环月轨道 嫦娥五号月球“挖土”还要闯多少难关？
嫦娥五号的上升器从月面起飞（电脑模拟图）
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，嫦娥五号探测器首次近月制动正常，顺利进入环月轨道。
据报道，嫦娥五号探测器预定于12月1日左右在月球正面月海风暴洋北缘的吕姆克山软着陆，完成中国首次地外天体无人自动采样，并带回约2公斤样品。那么，嫦娥五号探测器顺利返航还需通过哪些难关呢？
●为何选择这里着陆？
着陆点——吕姆克山的选择最主要考虑两点：一是工程的安全性，二是要有重要的科学价值。工程方面，主要考虑地形、地貌、坡度、光照和通信等因素。科学方面，要重点考虑在月球科学中的价值，能否为回答月球科学问题提供关键样本。例如：我们不能落在以往“阿波罗”的采样点附近，也不能靠近苏联的采样点；着陆点要有与以往不一样的样品，能够回答以往没有解决的科学问题。
●月壤为何如此珍贵？
从岩石转化为土壤的过程，称为风化作用，包括物理风化、化学风化和生物风化三大类。土壤学认为，在地球上形成1厘米的土壤，要100～1000年的时光。而在月球上，因为缺少化学风化和生物风化，只有物理风化作用。从岩石形成土壤的过程经历了陨石撞击破碎、太阳风和宇宙射线的照射、极大的温差不断使得石块碎裂变成小颗粒、最后形成粒径不到1毫米的月壤。科学家通过不同的模型计算，其结果相差很大，但形成1厘米厚的月壤至少也要上千万年。
陌生环境带来全新挑战
在月球上取样，说得通俗点，就是在月球上“挖土”。但是，月面环境和我们熟悉的地球母亲大不相同。月球表面白天温度约零上180摄氏度，夜间零下150摄氏度，昼夜温差约330摄氏度，无人采样器需在零上150多摄氏度的月球表面工作。陌生的环境常常会带来新鲜感，但对嫦娥五号来说，这种“新鲜感”却成为无人月面采样返回要过的第一道坎。
航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢表示，考虑到样品的种类、数量以及月球表面的不确定性，他们设计了钻取和表取两种方式，两种样品大概比例为1∶3。彭兢说：“目前有一些科学研究成果表明，月球正面风暴洋北缘的吕姆克山附近区域的平均月壤厚度大约是4米，困难的地方在于我们去之前并不知道那里是很坚硬的岩石，还是很松软的月壤。”
由于嫦娥五号本身是由上升器、着陆器、返回器和轨道器四部分共同构成，这个重8.2吨的大家伙已经不能再胖了，也就决定了它没有机会再携带巡视器。相比嫦娥三号和嫦娥四号，嫦娥五号不能再依靠巡视器完成勘探的工作。同时，嫦娥五号的着陆器又是不能移动的，所以风险难度增加。
采样地点带来不确定性
彭兢说：“钻取采样装置正下方的点是什么特性，我们事先是不知道的，万一碰到特别坚硬的岩石，有可能采不到，所以这个是有风险的，是最困难的地方。当然我们在地面也做了很多工作，某一些坚硬的岩石在特定的条件下，是可以通过钻头将坚硬的岩石表面打碎，取得一些颗粒状的月壤，但是这些有很大的不确定性，这也是我个人认为深空探测里比较有魅力的地方。”
再来看表取，科学家们专门为这种采样方式设置了特定的机械臂。
彭兢表示：“这个机械臂和人手几乎是一样的。在末端，就是腕关节上有两个采样器。一个采样器类似于一个铲子，这个铲子有点像带钩子的铁锹，通过接近月面的时候转动，从月面挖取样品。”
彭兢介绍，在表取时将使用两种采样器，除了铲挖式，还有一种末端为花瓣状结构的采样器，它能通过旋转，破碎掉黏结在一起的月壤，从而获得相对较深层的样品。
距离影响交会对接精度
为了确保样品能够保持在月球表面的状态，取得的样品将用上升器的密封封装装置进行高真空密封，随后带回地球。这个过程中，无人月面采样返回的第二道关卡出现了，也就是月面起飞。彭兢介绍，从距离地球38万公里以外的月面起飞，不确定性非常大，而能否成功起飞也关系到后面交会对接能否顺利实现。这一环节是交会对接的起点，需要上升器百分百瞄准交会对接的轨道器。
彭兢说：“这个位置可能会存在一定的偏差，不像在地面表面可以精确到米甚至厘米，在月球上现在的指标可能就是百米这个量级，这些误差都会影响到入轨的精度。”
成功从月面起飞后，上升器和轨道器开始交会对接，将样品转移至返回器中。相比此前，空间实验室天宫一号采取的是撞击式交会对接，这一次采用了全新的轻型化的叫抱爪式的对接机构。
航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总师查学雷说：“主要的特点是相对很轻，能够保证月球探测器减重的需求；另外一个特点，与地球轨道上非常不一样的是，在月球轨道上进行对接，因为距离地球很远，会有一个时延，对我们是比较大的一个挑战。”
样品转移无先例可循
嫦娥五号对接机构的重量只有天宫一号的十分之一，而嫦娥五号的轨道器吨位是大大高于上升器的。如果采用和天宫一号一样的撞击式的对接方式，当误差过大时，上升器就有可能被撞飞。查学雷介绍，采用轻小型化的抱爪式对接机构，能够在21秒的时间里，“稳、准、狠”地完成任务。
查学雷说：“到了交会对接时，是一个抱爪的状态，会先把它抱住，建了走廊跑不掉以后，慢慢地再锁紧。这个方案就是一个很大的特点，抓的过程一定要顺势完成，不能抓到一半或者让它跳出去。所以对抱爪的性能，包括精度要求很高，因为抓的过程可能还会碰到问题，需要消除这些影响。”
在月球上完成无人样品转移，在人类的航天历史上是首次。航天科技集团八院轨道器主任设计师赵晨介绍，借助轨道器的样品转移分系统，整个样品容器将在200～300毫米的狭小通道里被抓取到返回器中。除了采用棘爪式的样品转移机构，他们还有近20份故障预案。
赵晨说：“通过这个结构的精度来保证样品转移一定是一条直线通道，我们的对接系统能够适应一定的控制偏差。样品转移也是同样，在正常情况下，通过棘爪式的样品转移机构把样品转移过来，在故障的任务情况下，可以通过喷气式方式进行样品转移，来保证万无一失。”
创新方式确保安全返回
最后，携带样品返回地球的重任交给了轨道器和返回器，上升器就留在太空中。与之前不同，此次以每秒11公里左右的第二宇宙速度返回，这时返回器不但速度很快，而且因为与大气剧烈摩擦，表面温度也更高。如何保证顺利回到地球？这是无人采样返回的最后一道关卡。探月工程三期副总设计师裴照宇介绍，团队采用了半弹道弹跳式返回的方式。
裴照宇说：“弹道式就像导弹，导弹打到外太空之后再入地球，不再进行升力控制，是靠惯性落到地面，而我们要进行准确的着陆点的控制，采用了半升力控制的方式。”
那么什么是跳跃式？就像“打水漂”，相当于返回器要先进一次大气层，利用大气层的阻力使它降速，然后再回来。第二次再入大气的时候，它的速度就会更慢一些，适合着陆。除了通过“打水漂”，科学家们还在返回器的材料上做了文章。航天科技集团五院嫦娥五号探测器返回器副主任设计师刘大海介绍，返回器使用了蜂窝结构的防热层，约20毫米厚，里面填充的都是新型耐烧蚀材料。除此之外，在耐高温发动机以及推进器的控制方面进行了创新。
刘大海说：“返回器就像一个窝头，侧面挖一些洞，洞里面就是推力器。当时这套系统专门做了一些耐高温的设计。还有一点，里边用的推进剂是液体，需要保证液体能够跟气体有效分离。当时设计了相应的隔膜贮箱，来保证整个系统的稳定工作。”
综合新华社、中新、中广报道
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