嫦娥五号月球采样返回系列报道

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嫦娥五号月球采样返回系列报道内容简介

2020年，探月三期工程收官之战——嫦娥五号探测器月球采样返回是年度重磅科技事件之一。

作为我国迄今为止系统最复杂、技术难度最大的航天工程，嫦娥五号任务意在突破月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接与样品转移、地球大气高速再入等关键技术，实现探月工程“绕、落、回”三步走任务目标，意义重大。

《中国航天报》年初就开始系统谋划全媒体报道，紧抓嫦娥五号在工程上的四大亮点，分阶段地部署工作重点并展开采访。从长五火箭点火到嫦五返回器着陆，新闻作品刊登频次密集，时间周期跨越23天；从闷热潮湿的南国海边到冰天雪地的北国荒原，事件地点不断转换，地理跨度广至数千公里。同时，因为重大工程任务的难度较大，专家技术人员非常谨慎，成功之前的采访配合程度不高。记者们不畏艰难、执着坚定，通过查阅学术资料、深入采访钻研、直击第一现场等方式重重突围，用生动准确的语言开展现场报道和解释性报道。

《为了月球这抔土，嫦娥五号有多拼？》从月壤的珍贵性、挖土的两种姿态、怎么钻土、怎么铲土四个部分层层展开，直逼嫦娥五号的核心问题。

《第一次，中国航天器从月面起飞》从嫦娥五号如何进行自主控制、发动机如何工作、月面起飞风险和难度等角度，生动呈现了“在月球发射一枚微缩版火箭”的工程难点。

《“五姑娘”的平安夜》记者在零下20多度寒夜里，跟随回收试验队地面分队奔波观察，捕捉“暖宝宝”等独家细节，让冰冷的科技产品萌味十足。

……

上述只是该系列报道的代表性文章。实际上，要做好对嫦娥五号月球采样返回科技事件的解释性报道，仅靠两三篇文章是远远不够的。《中国航天报》还组织了多篇深度报道，比如对第一次月球轨道交会对接与样品转移的技术难点进行详解，对地球大气高速再入难点和地面保障工作进行详解等。

这些现场报道和深度报道组合在一起，共同谱写了嫦娥五号科技事件报道的“奏鸣曲”，全面、权威、立体、多元，深刻凸显了《中国航天报》作为专业媒体的与众不同，能够体现媒体竞争白热化形势下行业报的核心优势。

为了月球这抔土，嫦娥五号有多拼？

——嫦娥五号探测器月球采样详解

□ 本报记者 郑恩红 索阿娣

蹁跹落月，正式开工！

12月1日，由航天科技集团研制的嫦娥五号探测器平稳降落月球，随后启动钻头和铲子，开展月球采样工作。这一刻，这抔“土”，引来了全世界的关注目光。

作为“国礼”的1克月壤

坑坑洼洼的表面、灰色的主基调、一望无际的荒凉……长久以来，这是人们对月球的直观认识。

“走在月球表面上，犹如走在一个布满沙土的运动场上，四周有泛光灯的照耀。”1969年，美国宇航员阿姆斯特朗登上月球后描述道。随后，他的搭档奥尔德林也踏上了月球表面，将周围的景象形容为“壮丽的荒凉”。

从1969年到1972年，美国共完成6次载人登月，带回约381千克月球样品。1970年到1972年间，苏联的月球16号、20号和24号无人探测器共取回了约321克月壤和岩心样本。

“说到月球的特别之处，最容易让大家想到的就是月球的特殊环境：月球表面几乎是真空的，还有无处不在的月尘颗粒，最小的只有几个微米，比PM2.5还要细微。”中国嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢在一次演讲中表示。

与地球上的土壤不同，月壤是覆盖在月球表面的厚层岩屑和玻璃质物质，直径多小于1厘米。直径在1厘米以上的月岩，和地球上的火山岩类似，但也存在很大不同。

美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克·贾文曾撰文表示，来自月球的样品彻底改变了人类对月球表面性质、月球起源等问题的认知。

1978年中美正式建交前夕，美国总统卡特的安全事务顾问布热津斯基曾向中国赠送了1克月球土壤作为“国礼”。我国将这份月壤一分为二，其中0.5克用于试验，还有0.5克收藏在北京天文馆。月壤之珍贵，可见一斑。

通过研究月球样品，科学家还发现其中含有在地球上蕴藏量极少的氦-3。早期探测结果表明，月球浅层的氦-3含量多达上百万吨，足够解决人类的能源之忧。

“我国在选择月球样本采集区域时，要选择地质现象丰富的地区、成熟月壤区和矿产资源丰富地区，同时还应考虑过去任务未曾取样过的区域，以期获得新的发现。”彭兢表示。

最终，嫦娥五号选择并成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。这里地势平坦，通信条件好，光照和温度较为理想，且尚未有人类探测器造访过。

在这里“挖土”，将大大促进对月球成因和演化历史等领域的科学研究。

月球“挖土”的两种姿态

早在2010年嫦娥五号任务正式立项前，一篇《月球无人采样返回任务概念构想》的论文就向公众展示了月球无人采样的多重构想，从中可以窥见嫦娥五号的路径选择。

文章提及，月球表层月壤和月岩外表面物质长期暴露在紫外线和宇宙射线的环境中，受到外空间的风化、氧化作用，某些有价值的信息可能被抹去。因此从科学探测的角度，更希望获取一定深度的、未受空间环境影响的样品。

据嫦娥五号采样封装系统主任设计师邓湘金介绍，研制团队在那时就开展了关键技术攻关工作，“瞄准获得尽可能丰富的月球样品这一目标。”

作为探月三期工程中最核心的一个任务，如何采集到尽可能多的月球样本并且封装好，是嫦娥五号的研制重点。经过严苛的论证，大家决定同时采取两种取样方法。

“一种是钻取，一种是表取。钻取是通过空心钻杆的取芯机构，钻到月球表面两米深以下处，得到深层样品的层理信息。表取是采用机械臂末端固定铲挖型采样器，进行表层和次表层月壤采集，实现多点、多次采样。”彭兢介绍。

苏联3次无人月球采样返回任务仅使用了钻取法，并且执行任务时实际钻取深度有不确定性。月球16号钻到0.35米深处，获101克样品；月球20号钻到0.27米深处，获50克样品；月球24号钻到2.25米深处，获170克样品。

苏联的采样方式对嫦娥五号任务有着很大的借鉴意义。但它的采样量非常少，而我们的目标是2公斤。因此，采取钻取和表取相结合的方式，有利于采集到更多种类和数量的月球样品。

有心人会发现，嫦娥五号表取采样装置和钻取采样装置并不在探测器的同一侧。一个在阳面，一个在阴面。这是由月球表面高温、散热环境很差等因素决定的。

“执行表取任务时，机械臂活动范围大，地面人员需要观察月球表面，于是将采样装置设在阳面。而执行钻取任务时，钻机工作的功率相对比较大，对散热的要求也比较高。为了使钻机处在相对低的温度条件下，特意将其部署在阴面。”邓湘金解释说。

即便这样，钻取采样装置的工作环境仍然比较恶劣。在地面上，电机的耐热极限也就100摄氏度。嫦娥五号团队通过集智攻关，研制出了能够在180摄氏度环境下持续正常工作的耐高温电机。

此外，月球表面环境复杂，给整个采样封装过程带来了不可预知的风险。“我们必须有一整套适用于月球表面不确定环境的应对方法。”邓湘金表示。

一直以来，在北京唐家岭的航天科技集团五院月球楼里，一个1∶1的嫦娥五号着上组合体模拟器和真实的嫦娥五号着上组合体遥相呼应，如同孪生姐妹。借助该模拟器，一支训练有素的40人地面支持团队不断地进行着实战“演练”。

钻土：8级硬度岩石钻进能力

嫦娥五号探测器的钻取采用原位钻取的方式，简单理解就是固定在一个地方往下钻。月壤特性苛刻，剖面情况复杂，研制人员必须考虑到一些风险情况，比如碰到石头时钻头能否正常工作等。

“嫦娥五号非常注重轻量化设计，因此核心单机产品的功耗都不是特别大。但是为了钻取设备‘劲儿’够大，总体部门给钻取装置配的功率超过1000瓦。相比之下，平常家里钻水泥墙的钻机也就300瓦。”邓湘金做了一个生活化的类比。

五院529厂承担了嫦娥五号采样封装分系统钻取子系统的研制工作。早在2006年，该厂就启动了一项课题预先研究。他们整合了机电、复材结构、精密加工与装调、理化检测等多专业优势力量，组建了关键技术和产品研发团队，同时联合全国36所专业院校协同攻关。

解锁、钻进、取芯、封口、提芯、整形、传送、避让，整个钻取采样过程动作复杂，目标是实现“钻得动”“取得着”“封得住”“缠得上”“送得进”“展得开”这6个关键要求。

为了确保“钻得动”，钻机上的钻头可谓“百里挑一”。研制团队通过对比16种设计方案，最终确定双排钻牙阶梯构型，经过“千锤百炼”，保证钻进过程顺畅可控，具备对8级硬度岩石的钻进能力。

“针对不同颗粒度月壤，该设备具有切、拨、挤、排能力，同时还带有一定冲击功能，里边有一个装置能反复捶打，把过于紧密排列的月壤震松后再往下钻。”五院529厂研究员赖小明介绍，钻取子系统经历了五六百次地面钻取试验，可以适应不同工况的月壤环境。

在这个过程中，聪明的研制人员创新出一种“双管单袋”的钻进取芯方案。其中的“单袋”，也叫取芯软袋，是此次嫦娥五号探测器钻取采样过程中的一大亮点。

这个由凯夫拉高分子纤维做成的黄色一体化编织软袋，被反套在取芯管外壁。探测器钻取到的月球样品进了取芯管后，随着拉绳上提，就被自动装进了软袋。软袋经过缠绕封装，被固定在初级封装装置内。

为保证取得的样品在提芯的过程中不发生掉落，设计师们采用了开放式构型的“8字形”超弹性合金丝作为封口方案，与取芯软袋末端进行一体化缝合，依靠弹性收缩力来实现对软袋的封口。封口器采用扭转密闭式结构，并进行大应变材料设计，可以实现简单可靠的封口。

12月2日4时53分，经过3个多小时的持续作业，嫦娥五号钻取子系统不辱使命，顺利完成钻取采样任务。

铲土：刚柔并济的“长臂侠”

嫦娥五号抵达月面以后，着陆器上的双目相机进行成像，展现出需要采样区域的地理信息。利用虚拟现实技术，地面团队造出一个与月球表面高度相似的地形。选定目标点后，再把这些信息载入到系统里面，生成控制指令。然后，机械臂开始工作，完成一系列采样的动作，把样品送到初级封装装置中去。

这是嫦娥五号采样封装分系统表取子系统的工作过程。五院总体部承担了该系统的研制工作。

其中，用于表取采样的机械臂非常抢眼。臂杆长约3.7米，具有多个自由度。表取采样区域为张角约120度的扇形区域，面积7~8平方米。

“自由度数量的设定主要根据任务需求。自由度多会更加灵活，但控制起来也比较复杂，重量也会相应增大；自由度太少，则可能完不成任务。”采样封装分系统主管设计师姚猛介绍。

在机械臂的设计过程中，邓湘金认为，“最大的困难就是来自重量资源方面的约束。对航天人来讲，这是件比天还大的事情。”

“臂杆很长，在受力条件下既要保证一定的刚性，还必须比较轻。这就是一个很大的矛盾。为此，我们做了很多基础性的研究，比如采用了晶须型铝基碳化硅材料。”采样封装分系统副主任设计师金晟毅说，研制团队对机械臂不同部位使用不同的材质，从而让整个设备实现减重。

机械臂末端的采样器是一个重要部件，直接负责对指定点的月壤进行采集。值得注意的是，嫦娥五号采样机械臂上有甲乙两个采样器。采样器甲类似于一个铲挖式的采样器，选择合适的角度可以挖到更多的土；采样器乙类似于一个旋挖式的采样器，虽然操作更简单，但挖土相对较少。

这是研制团队在充分考虑不同情况下设计的异构产品。采样封装分系统副主任设计师郑艳红告诉记者，采样顺利的话，全部都用采样器甲。只有当着陆器所在的地方变化起伏很大的时候，比如出现各种坑洼和坡度，才会启用采样器乙。

除了机械臂，在铲土环节，表取的初级封装装置也非常关键。它就像一个“小罐子”一样，巧妙地搁在着陆器里，用来盛放采集到的月球样品。

“这也是当时综合很多因素选的一种最优方案。要是把它放在别的位置上，可能不容易把土搁进去，或者可能妨碍到别的产品工作。”姚猛说道。

事实上，表取的初级封装装置并非仅仅是一个容器，里面还有很复杂的传动机构。该装置虽然只有2个电机，但可以完成22个复杂动作。

由于着陆区域条件较好，嫦娥五号的采样工作比预计开展得顺利很多，仅用了19个小时就提前完成月球表面自动采样任务。

在2公斤样品采集完后，嫦娥五号还要完成最终的密封封装。我国进行的月球样品采集和封装完全是在无人条件下自主完成的，技术难度大、要求高，涉及真空技术、材料科学等多领域。

满载而归的嫦娥五号上升器，静静地伫立在着陆器上，等待着月面起飞时刻的到来。

第一次，中国航天器从月面起飞

——嫦娥五号探测器上升器成功实施我国首次地外天体起飞任务纪实

□ 本报记者 赵聪

怀揣着2公斤月壤，嫦娥五号探测器上升器做好了起飞准备。临别时，它看了一眼着陆器。十多分钟以后，它们将永不再见。接下来的每一步，它必须小心翼翼，毫厘不差……

落区平坦，起飞第一步，稳了！

12月3日20时07分，嫦娥五号上升器进入起飞准备模式。这是我国首次在地外天体实施航天器起飞。

火箭在地球表面起飞有完备的发射塔架支持系统。相比之下，月面起飞条件则简陋得多。两天前，嫦娥五号着陆器驮着上升器降落月球。现在，它摇身一变，充当起上升器的发射塔架。

起飞地形很重要。早在落月之前，来自航天科技集团五院总体部的嫦娥五号探测器系统总体主任设计师舒燕就曾表示，一个担忧便是着陆器会降落在斜坡上，“月球表面环境复杂，着陆器不一定是四平八稳的状态，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹处。这会给起飞带来很大难度。”

经过大量地面试验，科研人员最终确保上升器即便落在20多度的斜坡上，也能够顺利起飞。

“月面起飞前8小时左右，探测器的‘大脑’——GNC（制导、导航与控制）系统开始工作。3000牛发动机点火、上升器起飞后，GNC系统迅速判断出上升器的实时状态，进而将其调整成垂直状态。”502所嫦娥五号探测器系统GNC分系统副主任设计师杨巍说。

理想的状态是落区平坦。考虑到采样后上升器要在月面起飞，嫦娥五号落月的过程也是为上升器选择“发射场”的过程。为了给上升器起飞创造更好的条件，相较于嫦娥三号、四号，嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度要求更高。

12月1日23时11分，在GNC系统的精准操控下，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区。从着陆影像图来看，地势平坦。测试数据显示，探测器只倾斜了两度，上升器几乎是完美的起飞姿态。地面飞控人员长舒了一口气。

必须按时起飞，不然生死考验

嫦娥五号上升器在等待起飞窗口的到来。

根据着陆器、上升器的位置姿态和等候在月球上空的轨道器、返回器组合体实际飞行情况，地面飞控人员已经计算出上升器最佳的飞行路线，让上升器以最省燃料的方式飞向轨返组合体。

嫦娥五号用于起飞的燃料需要自给自足——从38万公里外的地球携带过去。长途跋涉的艰辛让嫦娥五号难以过多负重，所以，科研人员要为上升器规划一个最省燃料的月面起飞轨道。嫦娥五号轨道总体主任设计师马传令说，这样做还有一个重要原因——“为后续在月球轨道进行交会对接节省出燃料”。

航天器在月球轨道交会对接，对中国而言，尚属首次，有挑战、更有风险。因此，研制人员必须尽最大可能给上升器留足燃料，以便应对所有的“意料之中”和“意料之外”。

悉心设定好飞行参数，上升器静候飞行指令发出。不管是在地球还是在月球，航天器发射都涉及到发射窗。不同于地面，在月面起飞，发射窗口期很短，起飞时机很重要。

在地球实施运载火箭发射，地球每天自转一圈，每天都有一次发射机会。而月球则不同，一个月才会完成一次自转，若错过了这次发射时机，只能等到下个月再实施。

这对嫦娥五号来说万万不允许。因为如果错过此次发射窗口，月球会迎来漫长月夜，月表温度最低可达零下190摄氏度。没有光照，上升器的能量会慢慢散失，对她而言就是生死考验。与此同时，等待时间过长，月球上空的轨返组合体也会燃料告急。

要使后续程序不掉链子，解题方式有且只有一个：按时起飞。

在月球发射一枚微缩版火箭

23时10分，上升器的3000牛发动机点火，紧接着，姿控发动机启动。气流反推，上升器腾空而起，月球上升起一枚“微缩版的运载火箭”。

安装在着陆器顶端的分离上升监视相机记录下了3000牛发动机启动的过程，并将画面传回了地球。这台相机由航天科技集团五院508所研制。

21台空间发动机互相配合，为上升器提供动力、把控方向、调整姿态。其中，3000牛发动机提供起飞的主要动力，20台姿控发动机维持姿态方向。

3000牛发动机虽然首次应用在天问一号火星探测器上，但它最初是为嫦娥五号攻关研制的。发动机深嵌在探测器内部，工作时不断向四周辐射高温热浪。如何避免器上设备受到影响？研制人员采取了增加隔热屏的热防护方案，确保周围的产品不被烤坏，进而保证顺利完成任务。

发动机喷出的气流是另外一大隐患。通常，火箭在大气层内喷出的气流称为尾焰，在大气层外喷出的气流称为羽流。

火箭在地面起飞时，发射台下都有一个特别大的导流槽，发动机尾部喷出的极高温火焰通过开敞的空间排走，不会“拥堵”在发动机出口从而影响发动机功能。但是，上升器从月面起飞，作为起飞平台的着陆器不可能像地球发射塔架那样配置导流槽。

嫦娥五号上升器推进子系统主任设计师赵京介绍，3000牛发动机安装在上升器的底部中心位置，喷管离着陆器顶板仅20厘米。为了在这20厘米的空间内将羽流排导出去，科研人员巧妙地设计了一个小型导流锥。

为了解决这个核心难题，科研人员开展了嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验。该试验被列为探月三期的重大专项试验之一，主要验证典型工况条件下上升器发动机月面点火起飞时，火焰羽流产生的综合力、热效应及发动机与羽流导流装置的相容性，试验系统复杂、技术难度大、安全风险高。

2015年6月~7月，综合验证试验在位于北京的航天科技集团六院101所轨姿空发动机试验区分三个阶段进行。试验在低温、真空环境下进行，参试产品与飞行产品尺寸一致，是我国首次进行1：1比例的航天飞行器全尺寸羽流试验，使用了一系列新设备和新技术。

“最终，三个阶段综合验证试验取得圆满成功，证明发动机能够适应尾部比较局促的排气环境，为嫦娥五号上升器月面点火起飞提供了安全保障。”嫦娥五号探测器系统副总设计师洪鑫说。

38万公里外，“最强大脑”完美智控

800公斤重的上升器离开了着陆器表面。整个月面上升段用时6分钟左右，上升器经过垂直上升、姿态调整、轨道入射，进入近月点约15公里、远月点约180公里的交会对接初始轨道。

在3000牛发动机点火的第二秒，GNC系统开始对上升器进行控制，考虑到38万公里的地月距离带来的信号时延，控制指令早已写好，并注入程序。因此，发动机一旦启动，探测器需要自主完成整个上升过程。这个时候，GNC系统将发挥核心作用。

月面上升时，重力场，发动机的推力、指向，敏感器的测量等都会存在一定误差，这就需要GNC系统设计出冗余。杨巍介绍，在起飞过程中，GNC系统就像上升器的“最强大脑”，通过采用类似人工智能的技术，提升自主性，助力其平稳度过上升起飞期。

在GNC系统的调控下，各种型号的发动机和星敏感器、陀螺仪等互相配合。发动机为上升器提供动力，并帮助其调整姿态；星敏感器用来测姿态；陀螺仪用来测速度。就像开汽车一样，司机始终要知道自己的位置、速度和目标，不断地优化调整，最终到达目的地。

除了正常的飞行程序，GNC系统的另一个重要作用是备好故障预案。月面起飞条件苛刻，必须依靠自主定位定姿方法确定起飞的状态。如果在起飞过程中出现故障，也要迅速拿出解决方案。比如，在起飞过程中，万一3000牛发动机出现故障，GNC系统将迅速启动其他发动机继续工作，保障上升器顺利进入月球轨道。

“上升过程不可逆，出现任何异常地面都无法补救。因此，除了加强探测器的可靠性设计外，我们还开展了大量的地面试验。”舒燕研制上升器十年，12月3日，看着这个小家伙从月面“翩翩起飞”，如同在欣赏一幅绝美画面。

上世纪，美国和苏联已经掌握了月面起飞技术，这成为他们得以采回月球样本的关键所在。这是人类进入更远深空探索地外天体的必备能力。如今，中国人掌握了这种能力——来自中国的嫦娥五号上升器带着月壤，成功突破月球第一宇宙速度（约1.68公里/秒），离开月面，进入环月轨道。

中国人第一次完成了地外天体的完美起飞。

“五姑娘”的平安夜

□ 本报记者 李淑姮

经过23天的探月之旅，带着在月球上采集的“宝藏”，被人们亲切唤作“五姑娘”的嫦娥五号，即将在12月17日凌晨飞向祖国的怀抱。

白雪茫茫的草原上，零下20多摄氏度的寒夜里，等候在内蒙古四子王旗着陆区的航天回收试验队早已是厉兵秣马、整装待发。

“返回器开减速伞，主伞开伞正常。各号注意，准备出发！”电台里不断传出指令，集结待命的地面车队如同草原上的一条长龙，浩浩荡荡地向着着陆区域飞驰。与此同时，6架直升机在夜空中起飞。

1时59分，当电台里传出“五姑娘”平安着陆的消息时，轰隆隆的飞机声、汽车双闪的滴答声、电台里的指令声遥相呼应。

“空中搜索回收分队发现目标！”直升机传回北京航天飞行控制中心的红外影像画面上，“五姑娘”静静地等待着家人们的到来。而让所有人没想到的是，一只小动物从返回器身边经过，竟成为第一个与“五姑娘”见面的幸运儿。

“我们找到她啦！”直升机上回收试验队队长阮剑华的声音从电台中传来，地面车队的试验队员们听后兴奋不已，恨不得下一秒就飞到“五姑娘”面前。

搜索直升机上的7名试验队员率先到达，开始现场处置工作。直升机刚停稳，负责回收处置技术状态控制的逯运通迅速跳出舱门。直升机螺旋桨将积雪刮起如同暴风眼，他只能半弓着身子、放低重心，深一脚浅一脚地跑到着陆点，对返回器状态进行检查。

大约10多分钟后，地面搜索人员驱车赶到，一并加入到现场处置工作中。为保证现场安全，负责无水肼检测的刘学重点检查了推进剂是否存在泄漏。随后，试验队员们按照处置程序相继对返回器进行状态拍照、收主伞、测量器表温度等工作。一切都在有条不紊地进行着。

作为我国首次地外天体采样返回任务，即使是在冰天雪地的草原，嫦娥五号也吸引了不少人驱车赶来。大家都迫不及待地想一睹“五姑娘”的芳容，见证中国探月工程实施16年来最高光的时刻。

穿越大气层经过2000多摄氏度的高温烧蚀，返回器没有出发时那般白净了，底部和侧面变得黝黑，但存有月球样品的前端部位完好无恙。

在安装完返回器吊具后，试验队员齐上阵，给刚从月球“挖土”回来的“五姑娘”穿上两层保暖星衣，外面再套上迷彩棉服。为了保证剩余推进剂在运输过程中不被冻结， 试验队员还为她贴上了具有自发热功能的“暖宝宝”。

天色渐亮，一部分试验队员随返回器到达朱日和机场并进行后续处置工作。下午4时，试验队员乘坐运输机一路护送“五姑娘”平安到达北京，而她携带回来的月球样品也即将揭开神秘的面纱。