嫦娥五號采樣返回為什么采取“接力”方式？

文/張鐵鈞

到2021 年12 月，圓滿完成我國月球探測工程“繞、落、回”三步走任務第三步的嫦娥五號采樣返回任務，已成功實施一周年。

嫦娥五號探測器由軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，這個“團隊”就像接力隊一樣，通過“接力”方式，把月球樣品送回地球。

那么，為什么不只派一個成員，獨自完成月球采樣任務呢？

▲ 嫦娥五號探測器示意圖

▲ 著上組合體著陸月面示意圖

這是因為采樣返回任務工況復雜，無法由一個成員完成，團隊成員分工明確，各有各的任務：軌道器負責“飛得到”，即與運載火箭分離后，負責把著陸器、上升器和返回器送到月球軌道，完成采樣任務后，再把返回器送回地球附近；著陸器負責“下得去”，即到達月球軌道并與軌道器-返回器組合體（簡稱“軌返組合體”）分離后，負責帶著上升器，在月面軟著陸，并與上升器一起，完成月面采樣；上升器負責“上得來”，即完成采樣任務后，帶著月球樣品從月面起飛，與在月球軌道飛行的軌返組合體交會對接，并把月球樣品轉移至返回器內；返回器負責“落得下”，即當軌返組合體回到地球附近后，與軌道器分離，再入大氣層，把月球樣品送回地球。

▲ 上升器飛離月面示意圖

▲ 上升器與軌返組合體在月球軌道上交會對接示意圖

首先，軌道器的作用相當于太空擺渡車，起著在地月之間往返運輸的作用。由于地月之間路途遙遠，在飛行過程中需要多次變軌，到達月球附近時，還要進行制動減速，以便被月球捕獲；在“拿”到月球樣品后，又要通過加速擺脫月球引力，才能飛回地球。這些工作需要軌道器的發動機和控制系統來完成。而返回器沒有發動機，不依靠軌道器進行擺渡，無法完成地月往返任務。

其次，由于月球沒有大氣層，從月球軌道著陸月面，只能通過發動機反推，產生制動力，降低著陸器的速度，才能實現軟著陸。返回器沒有發動機，不能實現軟著陸；軌道器雖然有發動機，但是由于軌返組合體質量很大，約4.5 噸，著陸月面和從月面起飛，都需要消耗很多推進劑，而且軌道器還承擔著把返回器送回地球的任務。所以，到達月球軌道后，軌返組合體進行不消耗推進劑的環月飛行，而由著陸器和上升器（簡稱“著上組合體”）著陸月面，完成采樣任務。

第三，完成采樣任務后，需要從月面起飛，而著陸器的重量近3 噸，從月面起飛需要消耗大量推進劑。為了減少推進劑消耗，需要把著陸器留在月面，充當上升器的起飛平臺，而由重約0.8 噸的上升器從月面起飛，并通過與留在月球軌道的軌返組合體交會對接，把月球樣品轉移至返回器內。

最后，要想把月球樣品送回地球，必須再入大氣層。由于返回器飛行速度非常高，與大氣層摩擦會產生很多熱量，如果不在外形設計和材料選取方面采取防熱措施，返回器會在再入過程中燒毀。只有進行防熱設計的返回器，才能安全再入大氣層，同時由于其質量較小（約0.3 噸），因此可以通過降落傘減速后，平穩著陸地面。而沒有進行防熱設計的軌道器、上升器均不具備再入大氣層的條件。

嫦娥五號月球采樣團隊經過23 天的運行，只有返回器帶著月球樣品返回了地面；完成任務的著陸器留在了月球表面；上升器移交完月球樣品，與軌返組合體分離后，按照地面指令受控離軌，降落在月面預定落點；而軌道器在完成地月往返運輸任務后，又被賦予了新的使命，先去探測了日地拉格朗日L1 點，再從日地拉格朗日L1 點返回了月球，截至月球采樣一周年時，仍在月球軌道上運行。

▲ 返回器帶著月球樣品返回地面