嫦娥“五姑娘”如何开展“挖土”作业？

北京时间12月1日23时11分，在经历了为期一周的地月转移、近月制动、环月飞行之旅后，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，并传回着陆影像图。

作为中国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战，嫦娥五号任务将从月球采集约2千克月球样品返回地球。嫦娥五号探测器软着陆于月球哪个区域?探测器如何稳稳地降落?降落后又将如何开展“挖土”作业呢?

落在哪？

据中国国家航天局消息，12月1日22时57分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降，7500牛变推力发动机开机，逐步将探测器相对月球速度从约1.7 公里/秒降为零。

期间，嫦娥五号探测器进行快速姿态调整，逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测，选定着陆点后，开始避障下降和缓速垂直下降，平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。着陆过程中，着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。

成功着陆后，着陆器在地面控制下，进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作，将正式开始持续约2天的月面工作，预计将采集2千克左右的月球样品。

此前，美国阿波罗计划从月球累计带回380多千克月球样品，苏联依靠无人飞行器分3次共获得了300余克月壤;但美国、苏联等国家的航天器均未到访过吕姆克山脉附近。

中国科学院院士、中国探月工程首任首席科学家欧阳自远曾表示，中国选择的着陆点距离阿波罗计划着陆点有上千公里距离，将会迎来新的现象、新的发现。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩告诉中新社记者，月球正面风暴洋相对较年轻，富集铀、钍、钾等放射性元素，存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。它可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。

“据月球科学家介绍，此前对美、苏获取月壤样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩，这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动，将改写月球的历史。”庞之浩说。

怎么落？

在选定吕姆克山脉以北地区作为着陆点后，嫦娥五号着陆上升组合体如何在短时间内完成一系列难度系数很大的动作，稳稳地降落在月球表面?

中国航天科技集团五院专家告诉记者，历经主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落段，嫦娥五号这稳稳的一落看似轻盈轻松，却蕴藏着科研人员的众多智慧和积淀。此次嫦娥五号落月有四大看点。

看点一：“选址准、落得稳”

嫦娥五号任务的落月和近月制动一样，有且只有一次机会，必须一次成功。由于涉及采样后上升器的月面起飞，所以，嫦娥五号落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”。

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方面的高要求是空前的，这需要着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑，坡度要符合任务要求。

为实现“选址正确、落得准确”，嫦娥五号采用了五院502所在嫦娥三号和四号上应用的“粗精接力避障”方式。着陆上升组合体在飞到距离月面100米时会悬停一下，通过对选定区域拍照，精确识别选好落点。之后，着陆上升组合体再斜向下飞行，边下降边注意避障，飞到选定着陆点的正上方后竖直下降，在距离月面较近时提前关闭主发动机，然后利用着陆腿的缓冲实现软着陆。

看点二：着陆缓冲“显身手”

落月的关键在于平稳二字。嫦娥五号着陆上升组合体在落月时，撞击月面会形成较大的冲击载荷，必须设计相应的着陆缓冲系统，吸收着陆的冲击载荷，保证探测器不翻倒、不陷落，这是落月的技术难题之一。着陆缓冲机构，通俗地说，就是嫦娥五号的“腿”。

与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比，由于任务难度增加，嫦娥五号任务的着陆缓冲能力要求提高了30%，但机构重量指标却减少了5%。嫦娥五号的“腿”继承了嫦娥三号、嫦娥四号的良好基因，具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案，保证收拢简单、展开可靠，解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面问题，确保嫦娥五号稳定可靠地完成与月球的“亲密拥抱”。

看点三：“天黑请闭眼”

在降落的过程中，嫦娥五号着陆上升组合体距离月面较近时，主发动机会激起月尘，容易触发月尘污染星敏感器，从而影响上升器后续的月面起飞。

为了不让月尘“迷了上升器的漂亮眼睛”，科研人员特别设计了一个盖子。在距离月面一定的高度时把星敏感器的镜头盖起来，待落月之后月尘散去，再通知星敏感器把盖子打开，这一睁一闭之间，着陆器和上升器组合体已经顺利着陆在月亮之上。这一过程被科研人员亲切地称为“天黑请闭眼”。

看点四：定向天线“一线牵”

落月牵动着国人的心。38万公里外的嫦娥五号正经历着什么样的考验?所有的讯息，都需通过着陆上升组合体的一口小小的“锅”来传送遥测数据。这个“小锅”就是定向天线——把探测器上的数据传输到地面的发射转换装置。

从月球把数据发送回地球，通信的距离相比地面手机通信远了几万倍，这就需要采取特殊的对地定向天线来发送数据。科研人员设计的定向天线包含了反射面天线辐射器、双轴驱动机构。为了使整器减重，此款反射面天线极致轻量化设计，相比同类天线减重40%以上，既轻便又可靠。

中国航天科技集团五院专家表示，双轴驱动机构就像人的肩关节、肘关节，驱动反射天线辐射器灵活地转动，确保“小锅”始终对准地面，向地球传送嫦娥五号落月的遥测数据。

咋“挖土”？

嫦娥五号任务是中国目前技术难度最大、系统组成最复杂的航天任务之一。成功着陆在月球后，嫦娥五号探测器将开展为期约 2 天的月面工作，“使出浑身解数”采集约2千克月球样本，实现中国首次地外天体采样。

科研人员为嫦娥五号精心设计了两种“挖土”模式：钻取和表取。探测器随身携带了钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”，将采取深钻、浅钻，以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式，采集约2千克“月壤”，并进行密封封装。

“我们的目标是两公斤，经过论证，两公斤是数量上不算少，工程上可实现。”中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇说，“但是作为对这次任务的考核，我们的目标是采样返回，采到样品、返回地球，就是成功。不管带多少，都是成功。”

根据日、地、月的运动关系，以及工程各种约束条件，嫦娥五号任务的总周期是22至23天，各环节环环相扣。此次任务将创造五个“中国第一”。

“一是地外天体的采样与封装，二是地外天体的起飞，三是月球轨道交会对接，四是携带样品高速地球再入，五是月球样品的分析和研究，这在我国都是首次。”裴照宇说。

从发射升空到成功落月，38万公里，7天抵达，800多秒惊心动魄的下降，嫦娥五号探测器的表现近乎完美。

这是中国探测器第三次在月球表面成功软着陆，距离月球采样返回的梦想更前进了一大步。期待嫦娥“五姑娘”圆满完成“挖土”工作，顺利返回地球!(郭超凯)

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