看，那38万公里外的中国红
发布时间：2020-12-05 10:19:57来源：中央纪委国家监委网站
12月4日，国家航天局公布探月工程嫦娥五号探测器在月球表面国旗展示的照片。这是继嫦娥三号、四号任务后，五星红旗又一次展现在月球表面，同时也是五星红旗第一次月表动态展示。这是嫦娥五号着陆器和上升器组合体全景相机拍摄的五星红旗在月面成功展开的画面。（国家航天局供图国家天文台提供技术支持）
中央纪委国家监委网站柴雅欣报道38万公里外，一抹“中国红”振奋人心。
12月3日23点10分，嫦娥五号上升器月面点火，3000牛发动机工作约6分钟后，顺利将携带月壤的上升器送入预定环月轨道，实现我国首次地外天体起飞。起飞前，国旗展示系统成功在月面打开，这是中国首次在月球展示“织物版”五星红旗。
至此，嫦娥五号结束月面工作，踏上回乡之路。在月面约48小时，嫦娥五号都做了什么？有哪些收获？未来十余日，嫦娥五号载“土”归来，还要勇闯几道关？
一面国旗，十年见证，正负150摄氏度温差下仍保持本色
每当旭日东升，中华大地，五星红旗迎风招展。12月3日这天，有一面五星红旗非同寻常，竟在月球上“红”了一回。
点火起飞前，嫦娥五号着陆器上升器组合体实现月面国旗展开，这是我国在月球表面首次实现国旗“独立展示”。回传影像显示，在阳光照耀下，“中国红”格外鲜艳。
这是亮相月球的第一面“织物版”五星红旗。2013年12月，嫦娥三号探月，嫦娥着陆器和玉兔月球车互相拍照，月球车“胸前”的五星红旗格外夺目。不过，那时还是“喷涂版”。这一次，嫦娥五号这面“织物版”五星红旗是一面真正的旗帜。
五星红旗能在月球上独立展示，主要依靠月面国旗展示系统辅助。该系统由月面国旗、压紧释放装置、展开机构三部分组成，长约半米。系统在折叠状态下随探测器升空，着陆月球后按照指令解锁打开。
宇宙中电磁辐射强，月表环境恶劣，温差可达正负150摄氏度，这就决定了普通五星红旗无法胜任。从2011年国旗展示系统开始预研立项到2020年成功实现“自拍”，其中凝聚着研制团队长达十年的智慧付出。
一面旗不大，科技含量却很高。如何确保五星红旗展开时拥有足够强度且保持平整？研制团队围绕这一问题做了大量理论研究和模拟试验，单是选材就花了1年多时间。“我们挑选出二三十种纤维材料，通过热匹配性、耐高低温、防静电、防月球尘埃等物理试验，最终采用一种新型复合材料，既满足强度要求，又满足染色性能要求，保证五星红旗能抵御月表恶劣环境，做到不褪色、不串色、不变形。”五星红旗展示系统技术负责人程昌说。
重量也是要严格控制的指标。国旗重量仅12克，国旗展示系统重1公斤，研制团队围绕系统减重问题下了大功夫，不仅材料要轻质化，而且还对设备进行“瘦身”。立项之初，研制团队先后论证过采用四级杆、三级杆和二级杆等方案，但考虑到复杂性和重量等原因，最终选择使用二级杆的方式来呈现。
“之所以采用杆系结构方案，是因为它在航天系统里算比较成熟的技术，包括卫星、飞船等航天器的太阳能电池帆板展开，使用的都是杆系结构，其目的就是保证可靠性。”五星红旗展示系统项目负责人李云峰说。
此外，研制团队还对结构进行优化设计，选取耐高温、抗严寒材料，使其在空间环境中能承受冷热交变、空间辐照、极低真空等恶劣环境考验。
嫦娥五号实现我国首次地外天体起飞，携带约2公斤月壤返回地球
“‘打卡’完毕，着陆器再见，月球再见！”12月3日晚，嫦娥五号上升器“告别”着陆器，携带约2公斤月壤从月面起飞。不少航天人在朋友圈里转发起飞视频，不舍却也充满期待。
嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最复杂的航天器系统之一，由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成。它们并非“各自为战”，其中，着陆器和上升器组成“摘月战队”，共同开展月面工作；轨道器和返回器组成“返地战队”，负责带月壤返回地球。
连接器，脱落；发动机，点火！瞬间，烈焰升腾，上升器垂直上升——月面采样完毕，嫦娥五号收工回家。
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。与地面不同，月面环境复杂，没有成熟的发射塔架系统，没有平坦规整的起飞地，更没有地面人员测调确认，着陆器就相当于上升器的“临时塔架”，托举上升器飞离月面。因重量限制等原因，着陆器会继续留在月球。
“起飞初始基准与起飞平台姿态不确定，发动机羽流导流空间受限，地月环境存在差异等都是难题，好在嫦娥五号着陆时就选择了相对平坦的地形，提早进行准备。”中国航天科技集团五院技术专家说。此外，由于月球上没有导航星座，上升器起飞后，需在地面测控辅助下，借助自身携带的特殊敏感器实现起飞时自主定位、定姿。
嫦娥五号不是独自战斗，根据之前获得的着陆器着陆时刻、上升器姿态和位置等数据，地面科研人员提前计算了起飞时间、姿态轨道调整等参数，并远程注入了嫦娥五号的最强大脑——制导导航与控制（GNC）系统中央控制单元。到了预定的月面起飞时刻，主发动机会自行点火，嫦娥五号成为中国第一个在月面起飞的探测器。
据介绍，在起飞后最初一小段距离，上升器不进行姿态调整，之后迅速调整到竖直姿态并快速上升；达到一定高度后，在GNC系统的指挥下，以一定角度转入轨道入射段。从月面起飞算起，经过约6分钟250公里的飞行后，上升器进入交会对接初始轨道，与阔别数日的“返地战队”汇合，齐心协力把“土”特产带回家。
自动采样是嫦娥五号任务核心关键环节之一，综合运用两种“挖土”模式
从12月1日23点11分着陆月球，到12月3日23点10分从月面点火起飞，近48小时，时间不长不短。月球上一昼夜相当于地球上约27天，由于没有大气层保护，月球昼夜温差极大。为避开极端寒冷环境，嫦娥五号必须在月球白天完成采样和其他任务，保证在月球入夜前离开。
工作地点不是随机选择的。嫦娥五号在月球上最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉附近降落并实施采样。过去，没有人类或是探测器到访此处。40多年前，美国阿波罗计划和前苏联探测器采集的月球样本大多是形成于30到40亿年前的岩石，而根据目前研究成果，嫦娥五号采样区域地质年代较短，岩石更“年轻”。
“嫦娥五号在月球表面的着陆区是月球最值得探索的区域之一，研究这个区域可以帮助科研人员确认10亿至20亿年前月球是否仍处于活火山状态。”美国布朗大学地质科学教授詹姆斯·黑德说。
自动采样是任务关键。12月2日22点，经过约19小时月面工作，嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并按预定形式将样品封装保存在贮存装置中。
表钻结合，多点采样。如何在月球采集到尽可能多的月壤样本，并且封装好，是嫦娥五号的研制重点。经过严苛的论证，专家决定采取两种“挖土”模式，分别是钻具钻取和机械臂表取。
“钻取就是通过空心钻杆的取芯机构，钻到月球表面两米以下处，得到深层样品的层理信息。表取就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，多点、多次采样。”中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢说。
除了采样，嫦娥五号探测器还配置了降落相机、全景相机、月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等多种有效载荷，能够在月表形貌及矿物组分探测与研究、月球浅层结构探测等科学探测任务中发挥重要作用。
首次月面采样面临诸多困难。首先，采样装置是全新研制的，技术新、难度大，且采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。月面白天温度超过100摄氏度，嫦娥五号经受住了高温考验，克服了测控、光照、电源等方面的条件约束，依托全新研制的地外天体样品采集机构，顺利完成多点、多样化自动采样任务。
万千准备确保万无一失。嫦娥五号探测器研制团队不仅对月面采样过程进行了联合设计分析，确定了先钻后表、器地协同的工作程序，以及器上操作、地面测控和地面物理验证三位一体的飞控模式，而且还设计了遥控工作、预编程工作和半自主工作三种工作模式，确保采样过程的可靠性。
采样过程可靠，“打包”封装也不能马虎。相比月面极高真空环境，地球大气中不仅有气体成分，还飘浮着各种固体颗粒，如果月球样品接触这些物质后被污染，科研价值将大打折扣。
据中国航天科技集团五院研制专家介绍，封装用的“小罐罐”内外分层，便于钻取和表取的月壤分开保存。钻取月壤放在夹层的软袋子里，表取月壤放在内胆里。针对月球极高真空、高低温环境和月尘干扰，密封封装采用了橡胶圈和金属挤压相结合的方式。特别是金属挤压，对合金金属硬度、混合比例有极高要求。为此，月球样品密封封装子系统团队花了几年时间，做了大量实验，就是为了保护样品既不发生物理变化，也不发生化学变化，把纯天然、无污染的月壤带回地球。
交会对接挑战大，茫茫天空实现精准“牵手”
“摘月战队”在月球上忙活，另一边，“返地战队”也没闲着，它们已经做了几次变轨，调整轨道相位，做好了迎接上升器的准备。
从上升器进入环月飞行轨道开始，通过远程导引和近程导引技术，上升器与“返地战队”逐步完成交会对接，上升器中存放的月球样品通过轨道器转移到返回器中。
要从月球回到地球，嫦娥五号在月球轨道的交会对接很关键。这是一个惊心动魄的时刻。据彭兢介绍，嫦娥五号采取自动交会对接的方式，面临的挑战之一是引力环境。
虽然我国已掌握空间交会对接技术，载人航天工程也曾进行过多次交会对接，但以往神舟飞船、天宫一号等交会对接是在距地球400公里左右的地球轨道上进行的，而嫦娥五号探测器在距地球38万公里的月球轨道上交会对接，属我国首次。航天器面临的引力环境大有不同，研制人员下了大力气攻关克服。
两个航天器交会对接，好比在浩瀚太空中“穿针引线”，对控制精度要求极高。据介绍，此次交会对接没有采取“触碰式”对接，而是采用“搂紧”方式，类似双臂拉住对方随后收紧。这种方式对精度要求也极高，达到厘米级。
“两个航天器的相对位置要控制在误差不能超过5厘米的精度范围。除了月球引力环境的影响以外，交会对接中，由于两个航天器的重量差异大，一旦速度控制出现偏差，也会造成两器相撞从而导致对接的失败。为此，研制人员量身打造了一套全新的对接机构。”彭兢说。
此外，由于无法在万里外借助导航卫星帮助，嫦娥五号只能自力更生，月球轨道测控精度、月球轨道敏感器交互、轻小型航天器对接等技术均取得突破。
等待月地入射窗口，轨道器和返回器分离，返回器重新投入地球怀抱
距离回家，嫦娥五号还要经历几个关口？
当返回器“吞入”样品、扣上盖子，轨返组合体就可以与上升器分离，踏上回家之路了。首先是环月等待，嫦娥五号轨返组合体从对接舱分离并进入月地入射点，在环月等待段飞行过程中进行1次轨道维持，等待月地入射窗口的到来，全力以赴做好返地准备。
接下来是月地转移阶段。当嫦娥五号轨道器携返回器由月球向地球呼啸而来，在预定时机加速进入月地转移轨道，经历多次中途修正后，在接近地球大约5000公里高度时将返回器释放。
最后一步是再入回收。嫦娥五号返回器与轨道器分离后，轨道器进行规避机动，返回器则要经历惯性滑行、地球大气再入、回收着陆三个阶段完成最后的降落。返回器首先以每秒约11公里的第二宇宙速度冲向地球，在进入地球大气层后，通过半弹道跳跃式再入返回技术重新跳出大气层，再以第一宇宙速度进行降落。距离地面10公里高度时，返回器将打开降落伞，着陆于内蒙古四子王旗预定着陆区域，地面搜索回收力量预计在两天内完成回收任务。
为什么要在进入地球大气后跳出去，再重新跳进大气层呢？不能“一步到位”吗？
返回器冲向地球的第二宇宙速度，是能够脱离地球引力场束缚的最小速度，但也比从近地轨道返回地面的神舟载人飞船返回舱要快得多。为解决速度这个问题，科技人员设计了半弹道跳跃式返回办法，相当于在太空“打水漂”。返回器进入地球大气层，减速后将再次跳出大气层并第二次进入大气层。返回器再入地球大气层的速度将从十几公里每秒，降低到七公里多每秒，从而安全落地。
从嫦娥一号拍摄的全月球影像图，到嫦娥二号成功获取月球虹湾局部地区1米分辨率影像图，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……嫦娥一路向月行。这一次，作为我国无人月球探测的收官之战，嫦娥五号不仅向月行，还要向地归。
嫦娥五号从11月24日发射到完成地面回收，整个过程预计历时23天左右。在冬至前后的深夜，它将满载而归，落在内蒙古四子王旗着陆点。
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