12月4日，國家航天局公佈探月工程嫦娥五號探測器在月球表面國旗展示的照片。這是繼嫦娥三號、四號任務後，五星紅旗又一次展現在月球表面，同時也是五星紅旗第一次月表動態展示。這是嫦娥五號著陸器和上升器組合體全景相機拍攝的五星紅旗在月面成功展開的畫面。（國家航天局供圖 國家天文臺提供技術支持）
中央紀委國家監委網站 柴雅欣報道38萬公里外，一抹“中國紅”振奮人心。
12月3日23點10分，嫦娥五號上升器月面點火，3000牛發動機工作約6分鐘後，順利將攜帶月壤的上升器送入預定環月軌道，實現我國首次地外天體起飛。起飛前，國旗展示系統成功在月面打開，這是中國首次在月球展示“織物版”五星紅旗。
至此，嫦娥五號結束月面工作，踏上回鄉之路。在月面約48小時，嫦娥五號都做了什麼？有哪些收穫？未來十餘日，嫦娥五號載“土”歸來，還要勇闖幾道關？
一面國旗，十年見證，正負150攝氏度溫差下仍保持本色
每當旭日東昇，中華大地，五星紅旗迎風招展。12月3日這天，有一面五星紅旗非同尋常，竟在月球上“紅”了一回。
點火起飛前，嫦娥五號著陸器上升器組合體實現月面國旗展開，這是我國在月球表面首次實現國旗“獨立展示”。回傳影像顯示，在陽光照耀下，“中國紅”格外鮮豔。
這是亮相月球的第一面“織物版”五星紅旗。2013年12月，嫦娥三號探月，嫦娥著陸器和玉兔月球車互相拍照，月球車“胸前”的五星紅旗格外奪目。不過，那時還是“噴塗版”。這一次，嫦娥五號這面“織物版”五星紅旗是一面真正的旗幟。
五星紅旗能在月球上獨立展示，主要依靠月面國旗展示系統輔助。該系統由月面國旗、壓緊釋放裝置、展開機構三部分組成，長約半米。系統在摺疊狀態下隨探測器升空，著陸月球后按照指令解鎖打開。
宇宙中電磁輻射強，月表環境惡劣，溫差可達正負150攝氏度，這就決定了普通五星紅旗無法勝任。從2011年國旗展示系統開始預研立項到2020年成功實現“自拍”，其中凝聚著研製團隊長達十年的智慧付出。
一面旗不大，科技含量卻很高。如何確保五星紅旗展開時擁有足夠強度且保持平整？研製團隊圍繞這一問題做了大量理論研究和模擬試驗，單是選材就花了1年多時間。“我們挑選出二三十種纖維材料，通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等物理試驗，最終採用一種新型複合材料，既滿足強度要求，又滿足染色性能要求，保證五星紅旗能抵禦月表惡劣環境，做到不褪色、不串色、不變形。”五星紅旗展示系統技術負責人程昌說。
重量也是要嚴格控制的指標。國旗重量僅12克，國旗展示系統重1公斤，研製團隊圍繞系統減重問題下了大功夫，不僅材料要輕質化，而且還對設備進行“瘦身”。立項之初，研製團隊先後論證過採用四級杆、三級杆和二級杆等方案，但考慮到複雜性和重量等原因，最終選擇使用二級杆的方式來呈現。
“之所以採用杆繫結構方案，是因為它在航天系統裡算比較成熟的技術，包括衛星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開，使用的都是杆繫結構，其目的就是保證可靠性。”五星紅旗展示系統項目負責人李雲峰說。
此外，研製團隊還對結構進行優化設計，選取耐高溫、抗嚴寒材料，使其在空間環境中能承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環境考驗。
嫦娥五號實現我國首次地外天體起飛，攜帶約2公斤月壤返回地球
“‘打卡’完畢，著陸器再見，月球再見！”12月3日晚，嫦娥五號上升器“告別”著陸器，攜帶約2公斤月壤從月面起飛。不少航天人在朋友圈裡轉發起飛視頻，不捨卻也充滿期待。
嫦娥五號探測器是迄今為止我國研製的最複雜的航天器系統之一，由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成。它們並非“各自為戰”，其中，著陸器和上升器組成“摘月戰隊”，共同開展月面工作；軌道器和返回器組成“返地戰隊”，負責帶月壤返回地球。
連接器，脫落；發動機，點火！瞬間，烈焰升騰，上升器垂直上升——月面採樣完畢，嫦娥五號收工回家。
地面固定發射有一套完備的發射塔架系統，點火起飛位置、飛行軌道都經過精確測算。與地面不同，月面環境複雜，沒有成熟的發射塔架系統，沒有平坦規整的起飛地，更沒有地面人員測調確認，著陸器就相當於上升器的“臨時塔架”，託舉上升器飛離月面。因重量限制等原因，著陸器會繼續留在月球。
“起飛初始基準與起飛平臺姿態不確定，發動機羽流導流空間受限，地月環境存在差異等都是難題，好在嫦娥五號著陸時就選擇了相對平坦的地形，提早進行準備。”中國航天科技集團五院技術專家說。此外，由於月球上沒有導航星座，上升器起飛後，需在地面測控輔助下，藉助自身攜帶的特殊敏感器實現起飛時自主定位、定姿。
嫦娥五號不是獨自戰鬥，根據之前獲得的著陸器著陸時刻、上升器姿態和位置等數據，地面科研人員提前計算了起飛時間、姿態軌道調整等參數，並遠程注入了嫦娥五號的最強大腦——制導導航與控制（GNC）系統中央控制單元。到了預定的月面起飛時刻，主發動機會自行點火，嫦娥五號成為中國第一個在月面起飛的探測器。
據介紹，在起飛後最初一小段距離，上升器不進行姿態調整，之後迅速調整到豎直姿態並快速上升；達到一定高度後，在GNC系統的指揮下，以一定角度轉入軌道入射段。從月面起飛算起，經過約6分鐘250公里的飛行後，上升器進入交會對接初始軌道，與闊別數日的“返地戰隊”匯合，齊心協力把“土”特產帶回家。
自動採樣是嫦娥五號任務核心關鍵環節之一，綜合運用兩種“挖土”模式
從12月1日23點11分著陸月球，到12月3日23點10分從月面點火起飛，近48小時，時間不長不短。月球上一晝夜相當於地球上約27天，由於沒有大氣層保護，月球晝夜溫差極大。為避開極端寒冷環境，嫦娥五號必須在月球白天完成採樣和其他任務，保證在月球入夜前離開。
工作地點不是隨機選擇的。嫦娥五號在月球上最大的月海——風暴洋北部的呂姆克山脈附近降落並實施採樣。過去，沒有人類或是探測器到訪此處。40多年前，美國阿波羅計劃和前蘇聯探測器採集的月球樣本大多是形成於30到40億年前的岩石，而根據目前研究成果，嫦娥五號採樣區域地質年代較短，岩石更“年輕”。
“嫦娥五號在月球表面的著陸區是月球最值得探索的區域之一，研究這個區域可以幫助科研人員確認10億至20億年前月球是否仍處於活火山狀態。”美國布朗大學地質科學教授詹姆斯·黑德說。
自動採樣是任務關鍵。12月2日22點，經過約19小時月面工作，嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動採樣，並按預定形式將樣品封裝保存在貯存裝置中。
表鑽結合，多點採樣。如何在月球採集到儘可能多的月壤樣本，並且封裝好，是嫦娥五號的研製重點。經過嚴苛的論證，專家決定採取兩種“挖土”模式，分別是鑽具鑽取和機械臂表取。
“鑽取就是通過空心鑽桿的取芯機構，鑽到月球表面兩米以下處，得到深層樣品的層理信息。表取就是採用機械臂末端固定鏟挖型採樣器，進行表層和次表層月壤採集，多點、多次採樣。”中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢說。
除了採樣，嫦娥五號探測器還配置了降落相機、全景相機、月壤結構探測儀、月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷，能夠在月表形貌及礦物組分探測與研究、月球淺層結構探測等科學探測任務中發揮重要作用。
首次月面採樣面臨諸多困難。首先，採樣裝置是全新研製的，技術新、難度大，且採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。月面白天溫度超過100攝氏度，嫦娥五號經受住了高溫考驗，克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，依託全新研製的地外天體樣品採集機構，順利完成多點、多樣化自動採樣任務。
萬千準備確保萬無一失。嫦娥五號探測器研製團隊不僅對月面採樣過程進行了聯合設計分析，確定了先鑽後表、器地協同的工作程序，以及器上操作、地面測控和地面物理驗證三位一體的飛控模式，而且還設計了遙控工作、預編程工作和半自主工作三種工作模式，確保採樣過程的可靠性。
採樣過程可靠，“打包”封裝也不能馬虎。相比月面極高真空環境，地球大氣中不僅有氣體成分，還飄浮著各種固體顆粒，如果月球樣品接觸這些物質後被汙染，科研價值將大打折扣。
據中國航天科技集團五院研製專家介紹，封裝用的“小罐罐”內外分層，便於鑽取和表取的月壤分開保存。鑽取月壤放在夾層的軟袋子裡，表取月壤放在內膽裡。針對月球極高真空、高低溫環境和月塵干擾，密封封裝採用了橡膠圈和金屬擠壓相結合的方式。特別是金屬擠壓，對合金金屬硬度、混合比例有極高要求。為此，月球樣品密封封裝子系統團隊花了幾年時間，做了大量實驗，就是為了保護樣品既不發生物理變化，也不發生化學變化，把純天然、無汙染的月壤帶回地球。
交會對接挑戰大，茫茫天空實現精準“牽手”
“摘月戰隊”在月球上忙活，另一邊，“返地戰隊”也沒閒著，它們已經做了幾次變軌，調整軌道相位，做好了迎接上升器的準備。
從上升器進入環月飛行軌道開始，通過遠程導引和近程導引技術，上升器與“返地戰隊”逐步完成交會對接，上升器中存放的月球樣品通過軌道器轉移到返回器中。
要從月球回到地球，嫦娥五號在月球軌道的交會對接很關鍵。這是一個驚心動魄的時刻。據彭兢介紹，嫦娥五號採取自動交會對接的方式，面臨的挑戰之一是引力環境。
雖然我國已掌握空間交會對接技術，載人航天工程也曾進行過多次交會對接，但以往神舟飛船、天宮一號等交會對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進行的，而嫦娥五號探測器在距地球38萬公里的月球軌道上交會對接，屬我國首次。航天器面臨的引力環境大有不同，研製人員下了大力氣攻關克服。
兩個航天器交會對接，好比在浩瀚太空中“穿針引線”，對控制精度要求極高。據介紹，此次交會對接沒有采取“觸碰式”對接，而是採用“摟緊”方式，類似雙臂拉住對方隨後收緊。這種方式對精度要求也極高，達到釐米級。
“兩個航天器的相對位置要控制在誤差不能超過5釐米的精度範圍。除了月球引力環境的影響以外，交會對接中，由於兩個航天器的重量差異大，一旦速度控制出現偏差，也會造成兩器相撞從而導致對接的失敗。為此，研製人員量身打造了一套全新的對接機構。”彭兢說。
此外，由於無法在萬里外借助導航衛星幫助，嫦娥五號只能自力更生，月球軌道測控精度、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對接等技術均取得突破。
等待月地入射窗口，軌道器和返回器分離，返回器重新投入地球懷抱
距離回家，嫦娥五號還要經歷幾個關口？
當返回器“吞入”樣品、扣上蓋子，軌返組合體就可以與上升器分離，踏上回家之路了。首先是環月等待，嫦娥五號軌返組合體從對接艙分離並進入月地入射點，在環月等待段飛行過程中進行1次軌道維持，等待月地入射窗口的到來，全力以赴做好返地準備。
接下來是月地轉移階段。當嫦娥五號軌道器攜返回器由月球向地球呼嘯而來，在預定時機加速進入月地轉移軌道，經歷多次中途修正後，在接近地球大約5000公里高度時將返回器釋放。
最後一步是再入回收。嫦娥五號返回器與軌道器分離後，軌道器進行規避機動，返回器則要經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段完成最後的降落。返回器首先以每秒約11公里的第二宇宙速度衝向地球，在進入地球大氣層後，通過半彈道跳躍式再入返回技術重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進行降落。距離地面10公里高度時，返回器將打開降落傘，著陸於內蒙古四子王旗預定著陸區域，地面搜索回收力量預計在兩天內完成回收任務。
為什麼要在進入地球大氣後跳出去，再重新跳進大氣層呢？不能“一步到位”嗎？
返回器衝向地球的第二宇宙速度，是能夠脫離地球引力場束縛的最小速度，但也比從近地軌道返回地面的神舟載人飛船返回艙要快得多。為解決速度這個問題，科技人員設計了半彈道跳躍式返回辦法，相當於在太空“打水漂”。返回器進入地球大氣層，減速後將再次跳出大氣層並第二次進入大氣層。返回器再入地球大氣層的速度將從十幾公里每秒，降低到七公里多每秒，從而安全落地。
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，再到嫦娥三號成功實現落月夢想、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……嫦娥一路向月行。這一次，作為我國無人月球探測的收官之戰，嫦娥五號不僅向月行，還要向地歸。
嫦娥五號從11月24日發射到完成地面回收，整個過程預計歷時23天左右。在冬至前後的深夜，它將滿載而歸，落在內蒙古四子王旗著陸點。
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