12月3日23時10分，嫦娥五號上升器3000N發動機工作約6分鐘，成功將攜帶樣品的上升器送入到預定環月軌道。這是我國首次實現地外天體起飛。
點火起飛前，嫦娥五號著陸器與上升器組合體實現月面五星紅旗展開，這是中國在月球表面首次實現五星紅旗的“獨立展示”。接下來，嫦娥五號將迎來激動人心的月球無人交會對接時刻。
不少網友在激動留言：“月球土特產已打包，嫦娥快遞正在派送中，請注意查收！”“舉國歡迎最美挖土姐姐”“即使太空再黑，五星紅旗的光芒也會指引你我繼續前進，嫦娥五號我們等你回家”……
這條回家之路必將被世界、
被歷史銘記。
著陸器當“發射架”
在嫦娥“五姑娘”完成“挖土”工作後，她就要踏上“回孃家”的旅程。返回地球可不容易，第一步能否“邁好”至關重要，這就涉及中國航天史上另一個首次——月面起飛上升。
與地面起飛不同，嫦娥五號上升器月面起飛不具備成熟的發射塔架系統，著陸器相當於上升器的“臨時塔架”。月面起飛沒有“地勤”支持，一切都靠自己，且必須一次成功，難度極高。
上升器起飛存在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、地月環境差異等問題；另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自主定位、定姿。
為了確保上升器能夠順利起飛上升，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。
月面起飛前亮國旗模擬圖
月球上亮出“中國紅”
在嫦娥五號探測器
完成採樣任務上升起飛前，
國旗展示系統成功在月面打開。
國旗從“靜若處子”到“動若脫兔”，一面旗，一張圖，一種能力，成功背後凝聚著航天人的不懈追求。猶記得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”的五星紅旗鮮豔奪目。月球上首秀“留影”，國旗是“靜靜躺在玉兔懷裡”。如今，五星紅旗真真切切獨立展示在月球上。
國旗展示系統佈置在嫦娥五號著陸器艙外，熱環境、空間環境等條件惡劣，需採取多種環境適應性措施確保其正常工作。五星紅旗能夠在月球上實現獨立展示，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。
與嫦娥三號、嫦娥四號以及玉兔月球車上的五星紅旗採用噴塗方式不同，嫦娥五號這面“織物版”五星紅旗是一面真正的旗幟。科研團隊在選材上花費的時間就超過1年，最終挑選出了二三十種纖維材料，通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等物理試驗，最終決定採用某新型複合材料，既能滿足強度要求，又能滿足染色性能要求，從而保證五星紅旗能夠抵禦月表惡劣的環境，做到不褪色、不串色、不變形。
嫦娥五號五星紅旗平面運動包絡將近2000毫米×900毫米，整個系統的重量只有1公斤。選擇這樣的旗面尺寸是研製團隊經過綜合考慮的結果，目的是儘量突出視場效果，讓相機拍出來的照片既能看到月表、深空，也能看到著陸器；如果五星紅旗太大或太小，照片均無法呈現出豐富的元素。
由於五星紅旗展示系統的重量只有1公斤，研製團隊圍繞整個系統在減重問題上下了大量功夫，不僅材料要輕質化，而且還對結構優化設計，在選取耐高溫、抗嚴寒材料的基礎上儘量將支架臂做薄、做小。系統使用的支架結構在空間環境中能承受住冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環境的考驗。
21秒完成“太空牽手”
著陸器與上升器組合體抵達月球，完成月壤樣品的採集任務後，上升器攜帶樣品從月面起飛，與等候在月球軌道的軌道器自主交會對接，並將攜帶的樣品容器轉移至返回器。
由中國航天科技集團八院研製的軌道器，
就像一名太空快遞小哥，
從地球出發趕到
38萬公里外的月球軌道上，
取一份來自月球的珍貴樣品，
再快遞迴地球。
實際上，從嫦娥五號發射升空時，這名快遞小哥就忙碌不停。先是攜帶著陸器、上升器和返回器，完成地月轉移、中途修正和近月制動。進入環月軌道後，軌道器與著陸器上升器的組合體分離，攜帶返回器留在軌道上等候“取件”。
據中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號軌道器與上升器採用的對接方式，與我國載人航天採用的對接方式有很大區別。載人航天採用的是“異體同構周邊式對接機構”，兩個航天器對接後形成80釐米左右的通道，航天員可以在其中穿行。嫦娥五號採用的是“抱爪式對接機構”，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現對接與自動轉移功能的一體化。這些設計理念均為世界首創，對接精度可以達到毫米級。
嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇解釋說：
“
所謂抱爪式，就像我們的手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。對接機構由3套K形抱爪構成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接。
”
軌道器和上升器在環月軌道滿足交會對接初始條件時，要求控制器在收到抓捕指令後1秒鐘內控制抓捕機構完成抓捕，21秒內實現兩器剛性連接。可以說，是在38萬公里外的月球外眨個眼的工夫就要完成對接。
“取件”誤差不大於5微米
當軌道器和上升器對接完成後，需將上升器裡裝有月壤樣品的容器轉移到返回器。對接機構中對接環的運動位置精度和對中性是影響月球土壤封裝成敗的一個關鍵因素。中國航天科技集團有限公司八院149廠是參與研製生產嫦娥五號對接與樣品轉移機構的團隊。
149廠首席技師、對接機構總裝組組長王曙群介紹，這次對接樣品轉移機構是一種弱剛性結構，體積小、結構複雜，但功能一樣沒有減少，所以對於裝配中的測量數量、精度等要求更高。在轉移過程中，系統形成了一個封閉式的微型“隧道”，受到了產品特性的六個自由度的限位限制。
在研製過程中，團隊的兩位技師吳駿和顧京海發現，由於設計中六個自由度的限制，讓本來就屬於弱剛性的結構很容易受到外界壓力後產生細微的形變。他們反覆分析了整個系統的傳送運動軌跡和路徑，提出了將限位減少到兩個自由度，即左右和旋轉的自由度。
為此，他們將原本圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”的限位裝置，從而在確保產品裝配精度要求的情況下，使得轉移機構在運作中能流暢地完成每一個指令和動作，使各個位置的精度誤差均不大於5微米。
“打水漂”式返回地球
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。當返回器帶著月壤向地球飛來，其飛行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度，一旦速度過猛，後果不堪設想，為此，研製人員創新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，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重新紮入大氣層，返回地面。
鸚鵡螺工作室
作者 ｜ 葉薇
圖片 ｜ 國家航天局 新華社
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