2020年12月1日23時(shí)，嫦娥5號(hào)探測(cè)器在月球正面預(yù)選著陸區(qū)域成功著陸，并返回著陸圖像，成為我國(guó)第三個(gè)成功實(shí)現(xiàn)月面軟著陸的探測(cè)器。登月成功后，著陸器將在地面控制下，正式開(kāi)始為期約2天的嫦娥五號(hào)月面采樣工作，預(yù)計(jì)將采集大約2千克的月球樣品。

月球探測(cè)器的著陸器、升降器組合實(shí)現(xiàn)了月球表面預(yù)定區(qū)域的軟著陸。

經(jīng)過(guò)主動(dòng)減速、快速調(diào)整、懸停避障、緩慢下降等階段后，著陸器、升器組合物最終平穩(wěn)地落在月面上。

隨后的組合器將啟動(dòng)采樣，探測(cè)等工作。

四大絕技助“嫦娥”圓滿落月

這種落法看似輕巧，卻凝聚了科學(xué)工作者的智慧。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院的專家們，通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)探測(cè)器抓總研制單位的精心設(shè)計(jì)與技術(shù)攻關(guān)，確保了“嫦娥”圓滿落月。

粗細(xì)結(jié)合靈活避障

“嫦娥5號(hào)”落月和近月著陸的制動(dòng)一樣，只有一次機(jī)會(huì)，必須一次成功。因?yàn)椴蓸雍笊灯髟谠旅嫫痫w，所以嫦娥5號(hào)的降落過(guò)程也就是為后續(xù)升降器在月面起飛選擇“發(fā)射場(chǎng)地”的過(guò)程。

與之前的嫦娥3號(hào)、4號(hào)任務(wù)相比，嫦娥5號(hào)對(duì)探測(cè)器著陸點(diǎn)的定位精度和平順性提出了前所未有的要求：著陸區(qū)內(nèi)不能有過(guò)高的凸起，不能有過(guò)深的凹坑，而且必須有與任務(wù)要求相符的坡度。據(jù)說(shuō)，降落月球的過(guò)程就是降落著陸，升降器組合在飛行途中尋找降落點(diǎn)，在大約600公里外的15分鐘內(nèi)完成一次全自動(dòng)降落。

落月過(guò)程中動(dòng)力下降段的示意圖。

為達(dá)到“定位準(zhǔn)確，落得準(zhǔn)確”的目的，嫦娥五號(hào)探測(cè)器采用了五院502研究所研制的“粗精接力避障”技術(shù)，該技術(shù)已在嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)上成功應(yīng)用。降落過(guò)程中，在502制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)(GNC)的指揮下，起降組合體首先以強(qiáng)烈的推力反向制動(dòng)迅速減速，然后迅速調(diào)整姿態(tài)并對(duì)預(yù)定降落區(qū)域的地形進(jìn)行拍照識(shí)別，以避免大面積的障礙物，實(shí)現(xiàn)“粗避障”；然后組合體飛到離月面近的地方后懸停，并再次對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行精確拍照，實(shí)現(xiàn)“精避障”；隨后組合體再斜向下飄向選定的著陸點(diǎn)，在接近起降點(diǎn)正上方，開(kāi)始垂直下降，到離月面近一點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，然后利用起降組合體的起降腿緩沖實(shí)現(xiàn)軟著陸。

緩沖器腿幫助嫦娥穩(wěn)定地?fù)肀г虑?/p>

下個(gè)月的關(guān)鍵是安穩(wěn)。著陸器、升降器組合式在降落月面時(shí)，撞擊月面將對(duì)載荷產(chǎn)生較大的沖擊，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的緩沖著陸系統(tǒng)，以保證探測(cè)器不會(huì)墜落或墜落。那是下個(gè)月的技術(shù)難題。降落緩沖裝置，通俗的說(shuō)就是一組裝置的“腿”。

4條支撐性、支撐性“腿”不能一概而論，它們都是機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)，巧手研制出來(lái)的。具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自壓”式著陸緩沖機(jī)構(gòu)，確保了收攏過(guò)程的簡(jiǎn)單性和可擴(kuò)展性，解決了著陸緩沖和著陸穩(wěn)定性等諸多問(wèn)題。

相對(duì)于嫦娥三號(hào)的著陸緩沖設(shè)計(jì)，嫦娥五號(hào)的著陸緩沖需求因任務(wù)難度增加而提高了30%，但機(jī)構(gòu)重量指標(biāo)下降了5%。對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)部門(mén)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不小的難題。面對(duì)減輕重量的困難，研發(fā)團(tuán)隊(duì)反復(fù)迭代，每次修改設(shè)計(jì)，討論時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)新的減輕重量突破口，便毫不猶豫地再一次顛覆設(shè)計(jì)，繼續(xù)修改，最終成功滿足設(shè)計(jì)要求，確保嫦娥5號(hào)平穩(wěn)可靠地與月球擁抱。

天暗閉眼設(shè)計(jì)，降落防塵

此外，在登陸器、升降器組合式落月過(guò)程中，還有兩個(gè)精巧的設(shè)計(jì)。盡管表面上看，是著陸器“背上”升降器軟著陸到了月面，但實(shí)際上，著陸器引導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的工作以及智能自主的指揮過(guò)程都是借助“外腦”和“外眼”完成的。這兩個(gè)“外腦”分別是升降器升降時(shí)要使用的“最強(qiáng)腦”中央控制計(jì)算機(jī)，以及通過(guò)“看星星”來(lái)確定自身姿態(tài)的星敏感器。設(shè)計(jì)人員根據(jù)“升降機(jī)全程護(hù)送著陸器”的實(shí)踐提出了一個(gè)巧妙的方法，既節(jié)省了成本，又減輕了重量。

因?yàn)殡x月面較近時(shí)主啟動(dòng)機(jī)會(huì)激起的月塵污染了星敏感器，從而影響了月面升降器的升降，因此科研人員專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)蓋子，在離月面一定高度時(shí)，將星敏感器的鏡頭蓋住，稱為“天黑請(qǐng)閉眼”，待月塵散去后再通知星敏感器將蓋子打開(kāi)，這在睜開(kāi)之間，就被稱為“天黑閉眼”，這樣，著陸器和上升器組合的升降器就順利降落在月亮上。

輕量化定向天線暢聯(lián)地月

《嫦娥5號(hào)》的落月?tīng)縿?dòng)了每個(gè)人的心。三百八十萬(wàn)公里外的探測(cè)器正在經(jīng)受怎樣的考驗(yàn)？一切訊息都必須透過(guò)一個(gè)小鍋，由登陸器、升降器組合而成，隨時(shí)傳送遙測(cè)資料。這只“小鍋”是一個(gè)定向天線，它能將探測(cè)器上的數(shù)據(jù)傳送到地面的發(fā)射轉(zhuǎn)換器。

將數(shù)據(jù)從月球傳送回地球，通信距離是地面移動(dòng)通信的數(shù)萬(wàn)倍。因此需要采用特殊的對(duì)地定向天線來(lái)傳送數(shù)據(jù)。五院總體設(shè)計(jì)科研人員設(shè)計(jì)的定向天線，包括反射面天線輻射器，雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)類似于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，能使反射天線輻射器靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，保證“小鍋”始終對(duì)著地面。另外，該反射面天線采用了極輕量化的設(shè)計(jì)，與同類天線相比，重量減少了40%以上，既輕巧又可靠。

嫦娥五號(hào)完成月球表面自動(dòng)采樣，將珍貴的月壤帶回地球，這是對(duì)月球成因和演化歷史等科學(xué)研究的一次收官之戰(zhàn)，也是我國(guó)航天領(lǐng)域迄今為止最為復(fù)雜和困難的任務(wù)。

盡管嫦娥5號(hào)的核心任務(wù)是“采樣返回”，但其實(shí)質(zhì)是“繞、落、回”三大任務(wù)缺一不可，這是自16年來(lái)，整個(gè)探月工程啟動(dòng)實(shí)施以來(lái)的一次系統(tǒng)級(jí)檢驗(yàn)。

與前次“嫦娥1號(hào)”到“嫦娥4號(hào)”的月球探測(cè)器相比，“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，其總體結(jié)構(gòu)由4個(gè)部件組成——上升器、著陸器、返回器和軌道器(如圖所示)，而“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”只是一個(gè)軌道器，“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”也只有一個(gè)著陸器和一個(gè)巡陸器。

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)在任務(wù)操作層面上包括：兩次發(fā)射即地面發(fā)射和月面發(fā)射(新)，兩次著陸即月面著陸和返回地球著陸(新)，兩次封裝(新)即月面封裝和環(huán)月軌道封裝，一次環(huán)月交會(huì)對(duì)接(新)，四個(gè)全新的重要環(huán)節(jié)在其中運(yùn)行，可見(jiàn)整個(gè)任務(wù)執(zhí)行的復(fù)雜性比以前的探月任務(wù)要大得多。