歷經約23天、11個飛行階段後，嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸，帶著月球“土特產”順利回家。圖為12月17日凌晨，工作人員在搬運嫦娥五號返回器。新華社記者 彭源 攝
圖為12月17日凌晨拍攝的嫦娥五號返回器。（圖片來源：人民視覺）
12月17日晚8點，一輛軍綠色卡車緩緩駛入中國空間技術研究院，十六發禮炮依次響起，等候已久的人群發出陣陣歡呼和掌聲。卡車上載著的是嫦娥五號返回器，而作為嫦娥五號探測器的抓總研製單位，中國空間技術研究院正是她“誕生”的地方。
帶著月球“土特產”，遠遊的“孩子”回了家。歷經約23天、11個飛行階段後，12月17日凌晨1點59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸。這標誌著我國已具備地月往返的能力，探月工程“繞、落、回”三步走規劃完美收官。
返回器凌晨著陸，“接力跑”完成衝刺一棒
如果說嫦娥五號的地月之旅是一場接力跑，那降落回收便是最後衝刺一棒。在到達地球5000公裡之外時，嫦娥五號軌道器與返回器分離，返回器攜帶月球樣品，獨自踏上回家路。在降至距離地面約10公裡高度時，嫦娥五號返回器打開降落傘，完成最後減速並保持姿態穩定，隨後平穩著陸。負責搜索回收任務的測控與回收系統技術人員及時發現了目標，回收工作有序開展。
和載人飛船相比，嫦娥五號返回器的體積只有飛船返回艙的約1/7，可著陸面積卻是載人飛船的16倍。時值隆冬，在冰天雪地的黑夜搜索如此小的目標，難上加難。
不打無準備之仗。針對新特點和新挑戰，擔任此次搜索任務的中國酒泉衛星發射中心搜索回收分隊充分考慮可能出現的最複雜情況，更新改造設備十餘套，準備了各種“神器”，還組織進行了多次貼近實戰的訓練演練。
為確保直升機在目標區域安全降落、地面搜救車輛能順利抵達，搜索回收分隊結合冰雪夜間環境進行了近30次的著陸區地形勘察，開展了3次夜間搜索回收專項訓練、1次積雪暗夜極寒條件搜索回收演練、1次大範圍著陸偏差和3次全系統綜合演練，確保空地協同聯合搜救作業萬無一失。
在距著陸場萬裡之外的印度洋上，中國衛星海上測控部所屬的遠望3號船早已啟航出海。由於嫦娥五號返回大氣層時，與周圍空氣劇烈摩擦，導致返回器表面的高溫高壓電離氣體層如劍鞘一般，隔絕其與地面測控站間的通信，形成黑障區。遠望3號船的使命，便是在預定海域執行返回器初次再入黑障區附近的遙測、外測、光學測量等測控任務。
“嫦娥五號返回器在通信黑障區的這一跳至關重要，如果跳不起來，返回器會摔得粉碎；如果跳過了，‘嫦娥’可能會逃離大氣層，無法二次進入。”隨船出海的中國衛星海上測控部技術部副主任房新兵形象解釋道。
一切都按計劃進行。遠望3號船在黑暗中牽著嫦娥五號“放風箏”，為返回器穿越黑障區、實施關鍵一跳牽線搭橋，發揮了無可替代的作用。
同樣執行測控任務的，還有西安衛星測控中心的兩支活動測控分隊。為準確預報返回器落點，精準指引搜索回收分隊快速實施回收，他們千裡轉場，分別在四子王旗著陸場和平均海拔4500米的藏北高原，靜候嫦娥五號“回家”。
據介紹，位於四子王旗著陸場的活動測控分隊主要承擔嫦娥五號返回器返回段的測控和關鍵指令發送，以及提供返回器開傘前後的光學實況攝錄任務。而另一支活動測控分隊已在藏北高原堅守數月，實施返回器遙測接收以及上行遙控任務。失之毫釐，差之千裡，這支首次在藏北高原實施測控任務的隊伍出色完成了類似於“徒手接子彈”的困難操作。
“打水漂”式返回挑戰重重，減速降溫有妙招
執行我國首次月面自動採樣返回任務的嫦娥五號是“幸運兒”，她拿到的是地月旅行“往返票”。
能返回的探測器寥寥無幾，其中門道頗深。嫦娥五號返回器採用了俗稱“打水漂”的半彈道跳躍式再入返回方式，這是什麼意思，為什麼要選擇這種方式呢？
嫦娥五號要安全順利返回地球，速度和溫度是兩大關鍵因素。返回器從月球飛回的速度接近每秒11.2公裡的第二宇宙速度，而此前從近地軌道返回的神舟飛船等航天器速度接近每秒7.9公裡的第一宇宙速度。這每秒3公裡多的差距，就像扔石頭，同樣一塊石頭，從一樓扔下和從十幾層高樓扔下的速度迥異；同理，航天器從數百公裡高的近地軌道返回和從38萬公裡遠的月球返回速度差距巨大。此外，高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫，急劇增加的熱量也成為嫦娥五號回家路上的“攔路虎”。
如何減速？這是一個世界級的難題。在反覆學習、研究美國和蘇聯經驗的基礎上，根據我國航天器實際情況，中國航天科技集團五院總體設計部的軌道設計師們決定藉助地球大氣層這個航天器再入返回的“天然屏障”，通過空氣摩擦產生的阻力減速，並提出了一個大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。
一出一進，返回器慢了下來。“就像在太空中打水漂，返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍回太空，然後再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣，在15分鐘內完成。”中國航天科技集團五院總體設計部嫦娥五號探測器總體主任設計師孟佔峰說。
如何降溫？出發時通體雪白，但返回地球時，由於受到大氣層劇烈摩擦產生的高溫燒灼，嫦娥五號變“黑”了。
“再入的速度提高1倍，再入熱量將提高8到9倍。”中國航天科技集團五院總體設計部嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝說，如此高的溫度，一旦進入返回器的內部，後果將不堪設想。
對抗燒蝕成為必攻難關。以放熱結構設計為例，總體設計部防熱結構設計團隊為探測器巧妙設計了一件“貼心防熱衣”。針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求，提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成了防熱材料的佈局和局部防熱結構設計，實現了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計的跨越。
嫦娥五號帶回的“土特產”如何處理
帶著月球“土特產”，嫦娥五號奔走38萬公裡後凱旋。中國成為第三個從月球採樣回來的國家，這也是時隔44年後，人類再次把月球樣品帶回地球。
對探月工程技術人員來說，嫦娥五號回家意味著此次探月工程任務圓滿完成，但對地面應用系統的科學家來說，月球樣品的科學研究工作才剛剛開始。
嫦娥五號共獲取了兩種月壤樣本，分別是利用抓取裝置獲得的月球表層土壤和利用鑽探設備獲得的月球表面下約2米深的月巖樣本，總重量預計約2公斤。據中國科學院國家天文臺研究員、國家航天局探月工程三期副總設計師李春來介紹，此前別國月壤採樣點都在緯度30度的範圍，而嫦娥五號採樣點選擇了43度的月海風暴洋東北角的玄武巖區域，這是全新的採樣區域。全新的樣品研究，對月球表面的風化作用、火山作用和區域地質背景、區域地質演化方面可作出很多科研貢獻。
下一步，珍貴的“土特產”將會送到哪裡呢？
在中國科學院國家天文臺月球與深空探測研究部，我國首個月球樣本實驗室已“萬事俱備”，月球樣品的存儲、管理和研究工作將在這裡進行。
月壤樣品呈粉末狀，易受到地球物質汙染，因此月球樣本操作必須極其嚴謹規範。安全解封，科學處理，妥善存儲——這十二個紅色大字醒目地張貼在實驗室牆上。
安全解封。月球上幾乎真空，和地球存在很大壓差，安全解封成為擺在科研團隊面前的首個難題。據探月工程三期地面應用系統主任設計師張廣良介紹，針對解封在月表真空環境下封裝的設備這個難題，他們反覆多次進行技術驗證，最終設計了一套方案，在真空條件下獨立解封罐子，解封後再把樣品轉移到氮氣環境下進行存儲和處理。
科學處理。“一是採用科學的方法，制定科學的規範和方案，保證結果可信，二是利用最精密儀器進行實驗，並且使用最少量的樣品展開研究，讓樣本發揮最大功效。”嫦娥五號任務地面應用系統副總指揮張洪波說。
妥善存儲。據國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳豔華透露，除了中科院國家天文臺作為月壤主要存儲地點外，還將在湖南韶山毛主席的故鄉進行異地災備，以告慰毛主席生前“可上九天攬月”的夙願。
“土特產”怎麼用？李春來介紹稱，大部分樣品會用於科學研究，在實驗室進行長期、系統的月球樣品研究工作，包括結構構造、物理特性、化學成份、同位素組成、礦物特點和地質演化等方面。
“取樣最主要是為了進行科學研究，另外，為了能早一點與公眾見面，我們有一部分樣品將入藏國家博物館，向公眾展示，進行科普教育。”吳豔華說，依據國際合作的公約和多邊雙邊的合作協議，中國將發佈月球樣品和數據管理辦法，與有關國家和世界的科學家共享，也有一部分按照國際慣例，可能作為國禮相送。
完成地面處理工作後，嫦娥五號返回器空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機舉行交接儀式，正式向地面應用系統移交月球樣品，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也將隨之啟動。
嫦娥五號創造五項“首次”，中國探月六戰六捷
十年磨劍，載譽歸來。作為中國探月工程“繞、落、回”三部曲的收官之戰，嫦娥五號探測器的研製團隊與嫦娥五號相伴了十年之久。“從2011年1月立項，到現在整整十年，一個月不多，一個月不少。”中國科學院院士、中國航天科技集團五院空間科學與深空探測首席科學家葉培建感嘆道。
作為我國複雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，嫦娥五號任務創造了五項中國“首次”：首次在地外天體採樣與封裝；首次在地外天體上點火起飛、精準入軌；首次進行月球軌道無人交會對接和樣品轉移；首次攜帶月球樣品以近第二宇宙速度再入返回；首次建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統。
複雜度最高，技術跨度最大，嫦娥五號為什麼要設計得這麼“難”？
“我們要把樣品拿回來，就必須走這條路。”葉培建說，“我們（探月）搞得比較晚，水平要搞得高一點才行，而且將來要搞載人登月，因此要為載人登月奠定一些基礎，摸索一些技術。”
此次嫦娥五號的任務，主要是完成月球採樣返回，但其蘊含的多項技術創新，有著提前探路的考慮。嫦娥五號三大工程目標之一，就是為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。
從嫦娥一號拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號成功獲取月球虹灣局部地區1米分辨率影像圖，嫦娥三號成功實現落月夢想，嫦娥5T作為“探路先鋒”完成地球軌道外航天器再入大氣層返回驗證任務，再到嫦娥四號實現人類探測器首次月背軟著陸揭開月球背面神秘面紗，嫦娥五號完成月球採樣返回任務……嫦娥一路向月，六戰六捷。
這是發揮新型舉國體制優勢攻堅克難取得的重大成就。探月工程匯聚了全國包括港澳地區的數千家單位、數萬名科技工作者。技術的每一次突破、工程的每一步跨越，都是團結協作的結果，傳承弘揚了中國航天攻堅克難、勇攀高峰的優良傳統和創新精神，積澱彰顯了“追逐夢想、勇於探索、協同攻堅、合作共贏”的探月精神。
求索寰宇開新篇。以嫦娥五號任務圓滿成功為起點，我國探月工程四期和行星探測工程將接續實施。目前，首次火星探測任務天問一號正在奔火的徵程；嫦娥六號、七號、八號，小行星探測、火星取樣返回、木星系探測等工程任務也將按計劃陸續實施。
在星際探測的徵程上，中國人將繼續一步一個腳印，將夢想變為現實，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貢獻。（本報記者 柴雅欣）
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