嫦娥-5：匠心獨妙的“采樣返回”
—專訪探月工程副總設計師于登云

本刊記者 徐菁

嫦娥-5：匠心獨妙的“采樣返回”
—專訪探月工程副總設計師于登云

本刊記者 徐菁

2014年10月24日-11月1日，我國探月三期再入返回飛行試驗器—嫦娥-5T（CE-5T）任務圓滿完成，成功著陸在預定區域。嫦娥-5T任務對探月三期下一步實施有什么重要意義？嫦娥-5探測器到底如何“采樣返回”？本刊記者專訪了中國航天科技集團公司科技委副主任、探月工程副總設計師于登云。

記者：于總，您好，感謝您接受采訪。請問探月工程三期在最初論證時是否規劃了嫦娥-5T任務？

于登云：由于考慮探月工程經費規模，所以在探月工程三期立項之前的最初論證時只計劃了嫦娥-5/6兩次任務，其中嫦娥-6作為嫦娥-5的備份，并未列入嫦娥-5T高速再入返回飛行試驗任務，只是把高速再入返回作為一項關鍵技術。但是在后來的立項評估時，以中國航天科技集團公司王禮恒院士為代表的幾位大牌專家認為，高速返回任務是我國第一次實施，而且這項技術的成敗直接關系到探月三期工程的成敗，月球樣品能否安全回收關系到全局，如果事先不進行在軌驗證，勢必會給探月工程三期順利實施帶來巨大風險。于是我們重新修改了立項報告，在探月工程三期嫦娥-5、6任務之前增加一項高速再入返回飛行試驗。因為項目經費有限，我們參照嫦娥-1任務的情況，申報了這次試驗任務的項目經費。

考慮到任何一項任務都會存在風險，在論證這一飛行試驗任務時我們還探討了是否要安排進行兩次，所以最初我們稱這次任務為嫦娥-5T1。這次高速再入返回飛行試驗完成得很成功，達到了預期目的，獲得了很多珍貴數據，該考核的地方都考核了。因此，雖然試驗數據還在深入分析之中，但估計不會再實施第二次飛行試驗任務。

記者：這次嫦娥-5T任務的圓滿完成對探月工程三期下一階段實施有什么重要意義？

于登云：這次試驗任務意義重大，為探月工程三期的順利實施起到了先導作用，具有承上啟下的意義。所謂“承上”是指嫦娥-5T充分繼承了探月一期和二期的成果，尤其是嫦娥-2的成果，因為嫦娥-5T的服務艙繼承了嫦娥-2的平臺，并做了一些適應性修改；所謂“啟下”是指通過這次任務把嫦娥-5的某些實際飛行軌道，以及高速返回再入的整個過程進行了驗證，從而有利于提高嫦娥-5任務的可靠性和安全性，降低了任務風險。

這次嫦娥-5T飛行試驗任務非常成功，很好地驗證了返回器高速再入返回技術，這其中包括防熱技術、氣動力技術，以及減速跳躍時所需的精確控制技術。同時，還驗證了軌道技術、回收著陸技術以及其他搭載的新技術等。

記者：我國的返回式衛星、載人飛船已多次成功完成返回再入，為什么嫦娥-5不直接照搬載人飛船和返回式衛星的返回模式呢？

于登云：探月工程三期任務之所以采用這種高速跳躍式返回，是其自身任務的需要。月球采樣返回的過程與返回式衛星和載人飛船任務是完全不一樣的。

嫦娥-5從月球軌道返回到達距離地球5000多千米時軌道器與返回器分離，這時的飛行速度大約10.6km/s，接近第二宇宙速度；而載人飛船及返回式衛星運行在低地球軌道，返回時的速度最大不超過8km/s，只是第一宇宙速度。由于兩者在返回速度上差別很大，因此嫦娥-5不可能采用載人飛船或返回式衛星的再入返回模式。

正因為嫦娥-5任務返回速度大，在氣動力、氣動熱、結構及控制等方面帶來了新的要求和挑戰，所以必須采取新的返回措施，也就是要使返回器在再入大氣層時盡可能將速度降下來。進入大氣層時采用跳躍式返回可以起到比較理想的減速作用，使結構和防熱系統的壓力得到緩解，同時也使航程和落點達到理想的結果。

記者：除了高速返回技術之外，為了保證嫦娥-5任務的實施，其他一些關鍵技術如何驗證？

于登云：與嫦娥-1、2、3相比，嫦娥-5最大的不同就是無人采樣和返回，很多技術都是全新的，以前沒有實現過。通過嫦娥-5T，我們驗證了風險最大的高速再入返回的有關技術，但是其他一些關鍵技術無法通過這次試驗進行在軌驗證，只能通過地面的分析、仿真和試驗驗證，盡可能地模擬太空環境和使用情況。這是因為工程研制的經費和進度有限，不可能、當然也沒必要將所有新技術都通過在軌飛行來驗證。比如，嫦娥-3任務實施前我們無法對落月技術進行在軌驗證，而是通過在地面模擬月球環境，進行分析、試驗和仿真，以確保驗證盡可能充分。而且，嫦娥-3任務的成功完成也表明，在地面進行模擬、試驗、仿真的方法是很有效的，所以我們也相信，對于嫦娥-5其他一些關鍵技術在地面進行試驗同樣會達到預期的效果。

同時，嫦娥-5T的服務艙在把返回艙送到預定的返回軌道之后，又升軌到達拉格朗日L2點進行拓展試驗，它在完成拓展試驗后，可能還會回到月球軌道進行其他一些技術驗證試驗，包括未來在月球軌道交會對接時的快速測定軌技術、控制技術等，通過這些試驗也可以驗證嫦娥-5所需的一些關鍵技術，使這次高速再入返回效益最大化。

記者：嫦娥-5T采用了不同于嫦娥-1、2、3的飛行軌道，請您介紹一下。

于登云：嫦娥-5T從10月24日發射到11月1日返回，飛行試驗任務總共用了8天多一點時間。從整個任務的飛行軌道來說，采用的是繞月自由返回軌道，這是以往探測器沒有飛行過的軌道。從任務軌道的各個階段來看，經過了發射段、地月轉移段、月球近旁轉向段、月地轉移段、返回再入段和回收著陸段。其中，發射段和地月轉移段是以往探測器經歷過的，之后的4個飛行階段則是我國探測器第一次執行。在嫦娥-5T進入月球引力圈時開始轉向，繞月球飛行，經過30多個小時后進入月地轉移軌道，然后到達距地約5000km處，嫦娥-5T服務艙與返回器分離，返回器高速再入返回，著陸到地面預定區域。

實際上，由于嫦娥-5T的主要任務是驗證高速返回，只要能使飛行試驗器到達距地5000km的再入返回點就行，因此也可以采用其他飛行軌道。嫦娥-5T之所以采用從月球背面繞過再返回的軌道，也是為了更多地驗證一些新的關鍵技術，獲得更多的實際飛行試驗數據。

記者：嫦娥-5T任務發射時還搭載了一顆國外小衛星，這是一顆什么樣的衛星？

于登云：由于發射嫦娥-5T的長征-3C火箭還有剩余的運載能力，于是我國開展了國際合作，搭載了一顆國外小衛星。這是一顆盧森堡空間公司研制的一顆小衛星，名叫4M（Manfred Memorial Moon Mission），意思是“紀念Manfred的繞月任務”，Manfred是盧森堡空間公司的母公司德國OHB公司的創始人，一生致力于倡導、推動深空探測活動。發射這顆小衛星的意義在于紀念Manfred及所有為航天做出貢獻的人。

長征-3C火箭與嫦娥-5T分離后，火箭第三級帶著小衛星繞月球一圈，然后在距離地面1×104km的高度將小衛星拋出，4M衛星在1×104km高度的地球軌道飛行，它的主要任務是驗證電池是否能在太空惡劣環境下長壽命工作。

記者：與美國和蘇聯的月球采樣任務相比，我國嫦娥-5采樣返回任務的特點是什么？

于登云：從1976年以后，國外沒有探測器在月面進行探測，因此我國的嫦娥-3、5探測器是1976年之后國際上首次在月表考察，嫦娥-3在月面軟著陸和自動巡視是這樣，嫦娥-5將完成的自動采樣返回也是這樣。無論是美國的有人月面采樣返回，還是蘇聯的無人月面采樣返回，都是在1976年之前發生的事，那時的航天技術與現在的航天技術不可同日而語。

嫦娥-5的采樣方案也是與國外完全不同的。蘇聯的無人采樣任務中沒有采用交會對接，探測器直接在月球著陸，采樣后直接返回地球。美國的載人采樣任務是由航天員落到月面進行采樣，然后回到月球軌道進行交會對接，這樣做是為了最大限度的利用運載能力，并減輕落月壓力。嫦娥-5雖然也是無人采樣返回，但由于受到我國運載能力等各方面的限制，我們不可能采取俄羅斯的那種采樣方式，直接落月，然后直接返回；而是讓著陸器和上升器及采樣機構落到月球表面，上升器在接收到采樣機構采集到的樣品后，與著陸器分離并自主起飛，重新回到月球軌道，與軌道器和返回器組合體對接，然后將樣品轉移到返回器中，最終軌道器攜帶返回器進入月地轉移軌道，返回器回到地球。當然，我們這么做，還有另外一個目的，就是想盡可能為未來載人登月做些技術儲備。

另外，嫦娥-5的采樣機構將用兩種方式進行采樣，一種是采集月球表面土壤樣品，一種是鉆取月球表面以下土壤樣品。嫦娥-5采集的樣品預計是千克級，蘇聯采集到的樣品只有300多克，美國采集到的樣品是300多千克。

因此，可以說我國的無人自動采樣返回方案是在汲取美國有人采樣和蘇聯無人采樣的經驗教訓的基礎上，結合我國實際情況走出的一條新路，這是一個創新，當然難度也更大。

記者：請您給我們詳細介紹一下嫦娥-5探測器。

于登云：簡單地說，嫦娥-5探測器由“四器兩機構加一個總體”構成，是全新的航天器。所謂“四器”分別是軌道器、著陸器、上升器和返回器，所謂“兩機構”是指交會對接機構和自動采樣機構。

軌道器幾乎參與采樣返回任務的全過程，其作用是在整個任務過程中做好動力、服務和保障工作。嫦娥-5在器箭分離以后進入地月轉移軌道，軌道器負責把探測器的其他部分送到月球軌道；在采樣階段，軌道器帶著返回器在月球軌道停泊等待；在上升器把樣品帶回月球軌道之后，軌道器負責與上升器對接；當樣品轉移到返回器之后，軌道器還負責把返回器送回月地轉移軌道。在到達距地球約5000km并與返回器分離后，軌道器的任務就完成了。

嫦娥-5T任務采用跳躍式返回（董佼/制）

接著說說著陸器。在器箭分離之后一直到準備落月之前，它與軌道器是一體的；在到達月球軌道后，著陸器帶著上升器及采樣機構同軌道器與返回器組合體分離，并確保在月球相對平坦的表面安全著陸；同時，還要保證采樣機構能夠采集到樣品，并確保樣品轉移到上升器中；著陸器還有最后一個任務，就是為上升器提供一個安全起飛的環境，一旦上升器以著陸器作為起飛平臺安全起飛后，著陸器就完成了它的使命。

上升器的主要作用是在落月以后負責把采樣機構采集的樣品封存起來，并將樣品送到月球軌道；上升器完成與返回器和軌道器組合體的對接后，還要把樣品轉移到返回器中，最終上升器與軌道器-返回器組合體分離。

返回器的任務是在軌道器的輔助下，將樣品從月球軌道帶回地球，特別是在距地約5000km時與軌道器分離后，返回器必須完全依靠自己安全返回地球。

記者：嫦娥-5任務中的交會對接和“神舟”飛船與天宮-1的交會對接是一樣的嗎？

于登云：這兩種對接當然是不一樣的。載人飛船的交會對接是在近地軌道上進行的，地面人員能夠進行全過程監控；而嫦娥-5在月球軌道的交會對接過程中，有一小段時間是地面無法進行監控的，嫦娥-5必須采用自主的方式進行交會對接。另一方面，兩者的交會對接機構也不同，載人飛船和天宮-1都是大型航天器，采用異體同構周邊式交會對接機構進行；而嫦娥-5任務中，航天器質量相對較小，嫦娥-5探測器包括推進劑在內質量只有8t左右，上升器質量不到2t，軌道器-返回器組合體到月球軌道后不到4t；而且對接機構與前者也不同。總的來說，嫦娥-5的交會對接技術雖然可以借鑒載人交會對接，但是還是有很大的區別。

記者：您認為，探月三期工程完成后我國還會有后續的探測計劃嗎？

于登云：我相信，國家肯定還會有后續探測計劃。因為我們對月球的認識不能僅僅停留在“繞、落、回”，這只是目前無人探測的“三步”，我們真正要實現認識月球，開發月球資源，并利用月球資源造福人類，這“三步”還遠遠不夠，我們還應該要有新的“三步”或者“四步”，應該有載人月球探測，甚至在月球上建立基地。

另一方面，深空探測不僅局限于月球探測，人類探測的目標和任務還有很多，比如火星、金星、小行星等，通過這些探測，不僅可以推動航天技術進步，而且可以回答人類一直在探究的問題：人類從何而來？未來人類將到哪里去？等等。

目前，我國正在進行深空探測規劃的論證。盡管在當前的歷史時期，應用衛星和衛星應用仍然是國家發展的重點，但是深空探測是我們認識和了解宇宙的重要方式，要想從航天大國邁向航天強國，我們也必須進行深空探測。

A Novel Sample Return Mission: An Interview About Chang’e 5 with Yu Dengyun,Deputy Chief Designer of China’s Lunar Exploration Project