圓滿完成月球採樣任務後
嫦娥五號探測器
開啟回家征程
北京時間12月3日23時10分，嫦娥五號上升器從月面起飛，攜帶月球樣品成功進入預定環月軌道。這是中國首次實現地外天體起飛。
來源：國家航天局供圖。圖片攝影：張高翔
點火起飛前，著上組合體實現月面國旗展開以及上升器、著陸器的解鎖分離，此次國旗展開是我國在月球表面首次實現國旗的“獨立展示”。這面閃耀月球的五星紅旗重量只有1公斤，在正負150攝氏度的溫差下仍能“保持本色”。
月面起飛前亮國旗 模擬動圖
點火起飛後，上升器經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段，進入預定環月飛行軌道。隨後，上升器將與環月等待的軌返組合體交會對接，將月球樣品轉移到返回器，後者將等待合適的月地入射窗口，做好返回地球的準備。
地外天體起飛究竟有多難？
嫦娥五號“回家”還要闖過哪些關口？
這是我國航天史上的歷史性一刻。
完成這次起飛並非易事，這是一個高難度科目。眾所周知，運載火箭在地球起飛是有一套完備的發射塔架系統的，點火起飛位置也經過了精確測算，飛行軌道也是一遍遍計算好的。但月面起飛完全不同，沒有“地勤”支持，一切都靠自己，且必須一次成功，難度極高。
起飛時，著陸器就是上升器的“發射塔架”。雖然落月過程中，通過地形相機和智慧的算法保證了“發射塔架”的傾斜角度在允許的範圍內，但上升器必須自主確定自身姿態和位置。
據專家透露，上升器在起飛前數小時進入準備程序，地球上的科研人員根據之前獲得的著陸器的著陸時刻、上升器的姿態和位置等數據，計算上升器起飛時間、姿態軌道調整參數等一套數據，遠程注入上升器制導導航與控制（GNC）系統中心控制單元。到了預定的起飛時刻，主發動機自行點火，上升器起飛。
嫦娥五號上升器點火起飛
專家表示，在起飛的最初一小段距離，上升器是不進行姿態調整的，之後根據之前收到的參數迅速調平，並開始豎直上升，到達一定高度後上升器在GNC系統的指揮下，在主發動機和姿態控制發動機的共同作用下開始按照既定程序拐彎，並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，上升器進入與軌道器和返回器組合體交會對接的初始軌道。
為了確保上升器能夠順利起飛上升，航天科技集團五院嫦娥研製團隊進行了大量的試驗驗證，並建立了一整套環環相扣的系統保證任務，最終保證了嫦娥五號邁出了回家的第一步。
這一步完成後，上升器啟動交會對接程序，之後要進行多圈的飛行，完成4次遠程導引，來到軌道器和返回器組合體斜上方位置，準備實施交會對接，把採集到的月壤轉移到返回器。其實，上升器在月面逗留採樣期間，軌道器和返回器組合體環月飛行的同時，在地面控制下已完成了4次調相控制（調整軌道）及支撐艙分離，在環月圓軌道上等待上升器到來。
據透露，這次浪漫的“太空牽手”大約在兩天後實施。
經過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術，但是在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接不僅在我國尚屬首次，而且也是人類航天史上的第一次。為此，從上升器進入環月飛行軌道開始，一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移為止，設計師們為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作，助推嫦娥五號實現完美對接。
月球軌道交會對接演示圖
對接完成並順利將樣品轉移至返回器後，軌道器和返回器組合體將在月球軌道上擇機實施月地入射，當軌道器和返回器組合體飛到距地球5000公里時，軌道器留在月球軌道；返回器則要帶著來自月球的2公斤左右的寶貴樣品，經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個階段最終返回地球。
值得關注的是，返回器回家的最後一步，面臨著巨大的風險和挑戰。
當返回器帶著月壤，從38萬公里遠的月球風馳電掣般向地球飛來時，飛行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。可別小看了這每秒3公里的差距，就好像扔石頭，同樣一塊石頭，從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓仍下來速度肯定不一樣。
半彈道跳躍式再入返回技術方案
同理，航天器從數百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠的月球返回必然不同，且差距巨大。一旦速度過猛，返回器一頭撞向地球，後果不堪設想，必須讓返回器減速飛行。為此，航天科技集團五院嫦娥五號設計師們創新性提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案，就像在太空打水漂一樣，整個再入返回過程就是讓返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面。
來源：上觀新聞、央視新聞
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