探月工程映照中國航天自主創新之路

龐之浩 /文

2020 年11 月24 日，我 國 用長征五號遙五火箭成功發射了嫦娥五號月球采樣返回器。闖過月面采樣封裝、上升器月面起飛、月球軌道交會對接和超高速再入返回等一系列難關后，嫦娥五號返回器于在2020 年12 月17 日攜帶1731 克月球樣品順利返回地球。這是人類時隔40 多年后再次完成從月球采樣返回的壯舉，創造了5 項“中國首次”。習近平總書記指出，這是發揮新型舉國體制優勢攻堅克難取得的又一重大成就，標志著中國航天向前邁出的一大步，將為深化人類對月球成因和太陽系演化歷史的科學認知作出貢獻。

十年堅守，十年奮戰。嫦娥五號探月任務的圓滿完成，也為我國探月工程“繞、落、回”三個發展階段的戰略規劃畫上了圓滿句號，映照出中國特色的自主創新之路。

三階段發展戰略

隨著我國經濟和技術的飛速發展，綜合國力的不斷提高，我國在開展了人造地球衛星和載人航天工程之后與時俱進，于2004 年適時開展了以月球探測為起點的深空探測工程。

我國月球探測工程，即嫦娥工程被列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006 ━2020 年）》十六個重大專項之一。整個工程規劃貫徹了“有所為、有所不為”的方針，選擇有限目標，突出重點，集中力量，力求在關鍵領域取得突破，持續發展，為深空探測活動奠定了堅實的基礎。

依據循序漸進、分步實施、不斷跨越的原則，嫦娥工程分為“繞、落、回”三個發展階段，在2020年完成。

第一階段為繞月探測，即在2007 年發射繞月探測器。它原定通過嫦娥一號、二號繞月探測器完成，其中嫦娥二號是嫦娥一號的備份。后來由于嫦娥一號表現出色，嫦娥二號改為第二階段的技術先導星。

第二階段為落月探測，即在2013 年發射攜帶月球車的落月探測器。它原定通過嫦娥三號、四號落月探測器完成，其中嫦娥四號是嫦娥三號的備份，后來由于嫦娥三號表現出色，嫦娥四號改為完成探月四期任務，但增加發射了嫦娥二號技術先導星，試驗嫦娥三號的部分關鍵技術等。

嫦娥一號的飛行軌道

第三階段為采樣返回探測，即在2020 年發射月球采樣返回器到月球表面特定區域軟著陸并采樣，然后把月球樣品帶回地球在實驗室進行精細研究。它原定通過嫦娥五號、六號采樣返回器完成，其中嫦娥六號是嫦娥五號的備份，后來根據需要，嫦娥六號改為完成探月四期任務，但增加發射了嫦娥五號再入返回飛行試驗器（簡稱嫦娥五號T1），用于突破和掌握嫦娥五號以接近第二宇宙速度再入返回的關鍵技術。

“嫦娥工程”的每一階段都是對前一階段的深化，并為下一階段奠定基礎。從“繞、落、回”三期工程的科學目標看，它們有明顯的遞進關系：環繞探測主要對月球進行全球性的綜合普查；落月探測主要用于就是對著陸區附近進行區域性詳查，它包括原位探測和巡視探測，比較復雜；采樣返回探測主要是對月球進行區域性精查，因為科學家可在實驗室里對采集的月球樣品進行詳細研究，但最為復雜，難度極大。

中國國家航天局2007 年11 月2 日公布的月面圖像

該工程既參考了以往國際探月活動的經驗，又具有我們自己的特色，始終圍繞推動中國高新技術領域“原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新”的目標制訂計劃并組織實施。

嫦娥一號填補中國月球探測領域空白

我國探月一期工程，即繞月探測任務，是通過發射嫦娥一號繞月探測器實現的，標志著中國航天向深空探測進發。歷經了方案、初樣、正樣和發射實施四個階段，由繞月探測器、運載火箭、發射場、測控和地面應用五大系統組成。

2007 年10 月24 日,我國第一個月球探測器——嫦娥一號繞月探測器由長征三號甲火箭送入太空。嫦娥一號運行在距月球表面約200千米高的極地軌道上。與人造地球衛星相比，嫦娥一號采用了較多新技術，例如，軌道設計、三體定向、溫度控制和紫外敏感器等技術。

嫦娥一號搭載了8 種科學儀器：CCD 立體相機用于獲取月球表面三維立體圖像,分辨率120米；激光高度計用于測量月球表面到衛星的高度數據；干涉成像光譜儀、γ 射線譜儀、X 射線譜儀分別探測用于月球表面不同物質的化學元素；在世界上首次使用的微波探測儀用于測量月球的微波輻射特征，從而反演月壤的厚度；太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器用于探測從地球至月球的空間環境。

2008 年10 月24 日，它實現了在軌1 年壽命，完成了各項任務。此后，又用嫦娥一號開展了變軌等10 余項驗證試驗。為了給探月二期工程“探路”，積累落月過程控制和軌道測定方面的經驗，嫦娥一號于2009 年3 月1 日受控撞擊了月球豐富海區域，成功完成硬著陸。

嫦娥一號累計飛行494 天，其中環月482 天，比原計劃多飛117天。同時，還獲取了全月球影像圖、月表化學元素分布、月表礦物含量、月壤分布和近月空間環境等一批科學研究成果，填補了中國在月球探測領域的空白。

其中，嫦娥一號的CCD 立體相機在世界上首次實現了月球表面的100% 覆蓋，使中國制作的“全月球影像圖”在幾何配準精度、數據的完整性與一致性、圖像色調等方面均在國際上處于先進水平。

落月探測兩利器

從獲取探測數據的直接性和豐富性來看，軟著陸探測和巡視勘察是其它探測形式所不能替代的，所以落月探測很重要。我國探月二期的主要任務就是進行落月探測，通過先后發射嫦娥二號、三號已順利完成任務，并取得豐碩成果。

開路先鋒嫦娥二號。由于落月探測要突破月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信和月夜生存等關鍵技術，技術跨度和實施難度較大，為了降低落月探測的風險，先于2010 年10 月1 日發射嫦娥二號空間探測器，來突破嫦娥三號的部分關鍵技術。

嫦娥二號衛星與整流罩合攏

嫦娥二號運行在距月球表面約100 千米高的極軌道上，設計壽命半年，分辨率7 米，主要目標是完成兩大任務，一是對新技術進行試驗驗證，對未來的預選著陸區進行高分辨率成像；二是獲得更加豐富和準確的探測數據，深化對月球的科學認知。

與嫦娥一號相比，嫦娥二號實現了六個方面技術創新與突破：突破了運載火箭直接將衛星發射至地月轉移軌道的發射技術；首次試驗了X 頻道深空測控技術，初步驗證了深空測控體制；首次驗證了100千米月球軌道捕獲技術；首次驗證了近月點15 千米、遠月點100 千米軌道機動與快速測定軌技術；首次試驗了小型降落相機、監視相機、高速數據傳輸等技術；通過“俯沖”對嫦娥三號預選著陸區進行高分辨率成像，分辨率優于1.5 米。

2011 年4 月1 日，嫦娥二號的半年設計壽命期滿。此后，它開展了多項拓展試驗，尤其是它離開了月球，在世界上首次實現了從月球軌道出發，受控準確進入日地拉格朗日2 點環繞軌道，并開展了日地空間環境探測。

2012 年6 月1 日，嫦娥二號又成功變軌，飛往圖塔蒂斯小行星。同年12 月13 日，嫦娥二號以10.73 千米/秒的相對速度，與圖塔蒂斯小行星由遠及近“擦肩而過”，首次實現我國對小行星的飛越探測，使我國成為世界第四個探測小行星的國家。

嫦娥三號闖三關。嫦娥三號是我國探月二期工程的主任務。2013年12 月2 日，我國成功把嫦娥三號落月探測器直接送入地月轉移軌道。14 日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實現了我國對地球以外天體的軟著陸。12 月15 日，嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車互相拍照，我國成為世界第三個掌握落月探測技術的國家。

在月球軟著陸非常不易，國外的月球著陸器多為盲降，所以成功率不高。即使在2019 年，以色列、印度的首個落月探測器也都著陸失敗。

為完成工程任務，嫦娥三號闖過了三大難關，即著陸關、巡視關和月夜生存關。嫦娥三號著陸器設計壽命12 個月，著陸區為月球虹灣地區。馱著玉兔號月球車的嫦娥三號著陸器在落月時通過1500～7500 牛變推力發動機、降落相機等，克服了反推減速、自主控制和著陸緩沖三大技術難點，于12 月14 日安全落在了月球虹灣以東區域。它采用的懸停、避障的智能著陸技術具有國際先進水平。

玉兔號月球車的質量為137 千克，可6 輪獨立驅動，4 輪獨立轉向，具有爬20°坡、越20 厘米高障礙的自主越障和避障，移動速度為200 米/小時。它首次靠“視覺”來完成定位工作，當遇到超過20°的斜坡、高于20 厘米的石塊或直徑大于2 米的撞擊坑時，能夠自主判斷，安全避讓。

玉兔號月球車全景相機拍的嫦娥三號著陸器實景

嫦娥三號著陸器拍攝的玉兔號月球車實景

嫦娥三號在落月后面臨的最大難關就是長月夜生存。為此，嫦娥三號首次采用了同位素熱源以及導熱流體回路、隔熱組件和電加熱器等，這相當于給探測器“蓋被子”，以確保艙內溫度控制在五號0℃～50℃之間，使探測器系統能順利度過月夜，然后被喚醒工作。

至今，嫦娥三號開展了“測月、巡天、觀地”的科學探測，取得了大量科學數據，在世界著名科技期刊上發表了不少科學成果。到2020 年12 月，嫦娥三號著陸器仍在月面工作，是目前世界上在月面工作最長的航天器。

采樣返回創奇跡

我國探月三期工程的主要任務是采樣返回，即取回月球樣品供科學家在實驗室里用多種儀器進行精細研究。

嫦娥五號T1“打水漂”。與返回式衛星、宇宙飛船的返回艙以大約7.9 千米/秒的第一宇宙速度返回不同，嫦娥五號返回器必須以11 千米/秒的接近第二宇宙速度返回再入大氣層。

返回器再入速度提高一倍，再入熱量將提高8～9 倍，所以如果以11 千米/秒速度直接再入返回，返回器容易被燒毀，而且過載太大，對返回器結構要求太高。為降低工程風險，確保任務圓滿完成，我國決定先發射號稱“飛哥”的嫦娥五號T1 空間飛行器。考慮到我國內陸著陸場等各方因素，以實現長航程、低過載的再入返回，所以采用采用半彈道跳躍式再入大氣層的方式返回。

所謂“半彈道跳躍式再入大氣層”是指航天器進入大氣層后，依靠升力再次沖出大氣層，以減速耗能，然后再次進入大氣層。換句話說就是采用“打水漂”的方式再入大氣層，在大氣層中“一出一入”。這樣可延長返回器在大氣層飛行的軌跡，消耗掉部分能量，減小著陸速度。

2014 年10 月24 日,嫦 娥 五號T1 升空，最終返回器于同年11月1 日順利返回并在內蒙古預定區域著陸。這是我國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，使我國成為繼蘇美之后，世界第三個成功回收繞月航天器的國家，表明我國已突破和掌握了航天器超高速再入返回的關鍵技術。

嫦娥五號攻堅克難。2020 年11 月24 日，長征五號運載火箭成功發射了8.2 噸的嫦娥五號月球采樣返回探測器，把它直接送入了地月轉移軌道。它在月球表面特定區域軟著陸后進行分析采樣，經過上升、月地轉移和返回等一系列過程，在升空23 天后，攜帶1731 克月球樣品順利返回地球，使我國成為世界第三個在月球采樣返回地球的國家。

嫦娥五號升空

嫦娥五號成功著陸

這是我國迄今為止系統最復雜、技術難度最大的航天工程。有利于進一步了解月球的狀態、物質含量等重要信息，深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識，經歷了一個全面、精細、深入的科學探測過程，突破一系列關鍵技術，并為以后的載人登月和月球基地的選址提供有關數據。

為了完成這次月球采樣返回任務，嫦娥五號實現了我國開展航天活動以來四個“首次”，有些甚至是國際首次，比如月球軌道上進行無人交會對接。這四個“首次”既是亮點，也是難點，但最終航天人都完成得比較出色。

一是首次月面自動采樣。在月面上采集樣品時，著陸器上的采樣裝置要在月球低重力環境下具備、鉆孔、鏟土和輸送等能力。在月面取樣完成后要封裝，不能有任何污染。著陸器上有兩種用于采樣的機械手：一種是鉆取器，它可以鉆取月面下約2 米深度的月巖樣本，鉆取的月壤不破壞原有的層次結構；另一種是電鏟，用于表取，即在月球表面鏟取月壤。盡管在地球上，機械手能在模擬月球重力環境的試驗條件下做得很好，但真實的月球重力環境與模擬環境存在誤差，機械手在地球上做出的精確動作，在月球上能否重復完成是一個較大的挑戰。由于我們做了充分的準備，計劃2 天完成月面取樣任務只用了19 個小時。

二是首次從月面起飛。采集的樣品封裝到上升器后，上升器要從著陸器上起飛。上升器起飛時噴射的火焰會碰到著陸器，從而可能產生干擾上升器的力。另外，月球表面環境復雜，著陸器不一定是四平八穩的狀態，也無法像地球發射塔架那樣配置火箭導流槽，要克服月面起飛軌道設計、月面起飛測控和發動機羽流導流等困難。

三是首次在38 萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接。我國在地球軌道上有著比較成熟的航天器交會對接經驗，多次采用“小追大”的模式，即小質量飛船追大質量“天宮”。但在月球軌道上進行交會對接要“大追小”，即用裝有較多燃料的大質量軌道返回組合體追小質量上升器。距離地球幾十萬公里，稍微控制不好就會偏離到太空中，或者出現“大撞小”，就是大質量軌道返回組合體撞開小質量上升器。為此嫦娥五號的月球軌道交會對接采用了停靠抓捕式交會對接方式，專門研制了一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機構裝在軌道器上。它重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創。

四是首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。攜帶月球樣品的返回器以11 公里/秒的速度再入大氣層，需要設計一個既安全又穩妥的返回路線，這對返回器的氣動外形、防熱材料以及控制都將是一個新挑戰。雖然我國已用嫦娥五號T1 試驗過1 次，但嫦娥五號返回是一次實戰考驗。

此前世界上只有蘇聯在20 世紀70 年代，進行過3 次無人月球采樣返回，共帶回330 克月球樣品。由于蘇聯當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術，所以3次無人月球采樣任務采用的都是月面起飛直接返回地球方案。而嫦娥五號采用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器只需少量燃料，且沒有返回艙死重，因此采樣的月球樣品重量呈幾何級提高，1 次就帶回1731 克月球樣品。

探月四期開門紅

2019 年1 月14 日，我國宣布了探月四期工程任務，并把嫦娥四號作為探月四期首次任務，后續還有至少三次任務，即研制發射嫦娥六號、七號和八號。

2018 年12 月8 日，我國成功發射了嫦娥四號落月探測器，它于2019 年1 月3 日在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸，是世界首次。截至2021 年1 月20 日，嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車已在月面工作749 個地球日，累計行駛里程628.47 米。

科學意義重大。嫦娥四號是世界首個在月球背面進行軟著陸和巡視探測的空間探測器。由于月球背面比正面保留著更為原始的狀態，所以對月球背面的環境、表面、淺深層和深層進行詳查，對研究月球和地球早期歷史具有重要價值。另外，月球背面可屏蔽來自地球和地球軌道的各種無線電干擾信號，能監測到在地球和地球軌道無法分辨的宇宙中的低頻射電信號，有望取得重大天文學成果。

中繼通信不可或缺。月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信，為此，我們先把“鵲橋”月球中繼星送入到了地月拉格朗日2 點的暈軌道，這也是世界首次。在這個軌道上運行的“鵲橋”能同時看到地球和月球背面，從而可為此后落在月球背面的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學數據。

裝載多種新的載荷。作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器（玉兔二號月球車）組成，但兩者所裝載的科學載荷有明顯變化，比如，玉兔二號月球車上裝載著瑞典的中性原子探測儀，實現國際首次在月表開展能量中性原子探測。

別開生面性能大增。嫦娥四號的著陸方式、工作狀態與嫦娥三號也有很大區別，性能也有很大提升。簡單說來，嫦娥三號的著陸區相當于在華北平原，而嫦娥四號的著陸區相當于崇山峻嶺的云貴川地區，所以嫦娥三號是以弧形軌跡緩慢著陸，而嫦娥四號采取近乎垂直的著陸方式。此外，嫦娥三號在長月夜-180℃的環境中是不能工作的，但嫦娥四號采取了新的能源供給方式——同位素溫差發電與熱電綜合利用技術，以保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。

實現世界三大壯舉。嫦娥四號已經或正在實現三大“壯舉”：首次實現了人類探測器造訪月球背面，首次實現了人類航天器在地月拉格朗日2 點對地月中繼通信，正作為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，已獲得一批重大的原創性科學研究成果。

中國探月意義深遠

通過實施嫦娥工程，我國在航天科技、空間科學等許多方面都取得了重大成果。在航天科技方面，“嫦娥工程”逐步實現了多項重大突破，首次到達了地外天體，首次著陸在地外星球上，首次從地外星球拿回了樣本。這些技術的突破正推進了航天工程系統集成、深空測控通信、新型運載火箭和航天發射等航天技術跨越式發展，帶動信息技術、新能源技術、新材料技術、微機電技術、遙測科學等其它高新技術的發展。在空間科學方面，通過首次對地球以外的星體和空間環境進行近距離和接觸式探測，使我國對于空間科學的認識大大深化，為我國的天體物理學、空間物理學與材料科學的研究建立了新的平臺，促進了這些學科的創新和發展，并帶動了更多基礎學科間的交叉、滲透與共同發展。

嫦娥工程還促進了我國經濟的可持續發展，開拓了中國航天活動的新領域，促進了中國高技術的全面發展，促進了中國基礎科學的創新和發展，對提高綜合國力，增強民族凝聚力具有重大作用。同時，推進了中國航天領域的國際合作，有利于在外空事務和未來開發月球中維護國家權益，參與開發利用月球資源，可促進人類社會的可持續發展。

回首來路是為了更好的開拓前行之路。我們要貫徹落實習近平總書記的重要指示，大力弘揚追逐夢想、勇于探索、協同攻堅、合作共贏的探月精神，一步一個腳印開啟星際探測新征程，為建設航天強國、實現中華民族偉大復興再立新功，為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體作出更大的開拓性貢獻。