攜帶2公斤珍貴月壤的嫦娥五號，即將結束“太空之旅”，在內蒙古中部草原的四子王旗著陸場著陸！
據央視報道，日前，四子王旗著陸場系統已完成最后一次綜合演練，各項準備工作就緒，全力迎接返回器平安回家。
嫦娥五號回家方式：打水漂
嫦娥五號回家的方式非常獨特，具體來說就是嫦娥五號的返回器會先以高速進入地球大氣層，然后借助大氣層提供升力跳起來，之后再重新進入到地球大氣層，返回地面，專業輸入叫做：高速再入軌道技術。
太空中沒有大氣層，因此返回艙在返回時速度非常快，以至于在進入大氣層時的速度接近第二宇宙速度，超高速度會使得返回艙與空氣發生劇烈摩擦，甚至有燃燒殆盡的風險。
而“打水漂”的好處則可以使得返回器高速進入大氣層時，會削減一些速度，使返回艙的速度降低到第一宇宙速度。盡管如此，返回器仍舊會與空氣發生劇烈摩擦，使其表面溫度最高達2000多℃，如果高溫傳入到返回艙內部，將會對嫦娥五號挖掘的月球巖石和土壤產生不利影響。
為此，嫦娥五號的工程師們特意設計了一個返回器，返回器的側面有一個洞，洞里面有推力器，在大氣層飛行時，返回器不僅會受到阻力，也會有一點點升力，憑借著這種方式，返回器才能成功實現半彈道跳躍方式返回。
最終，在距離地面較近時打開降落傘，按照預定的計劃在內蒙古四子王旗著陸場預定地點進行著陸。
為什么選擇四子王旗作為著陸點？
據了解，內蒙古四子王旗著陸場是我國神舟載人返回艙的主要著陸場，在此之前已經執行過多次任務。嫦娥五號之所以也選擇這里著陸，是因為內蒙古四子王旗著陸場有其他地區不具備的優點。
首先是人口密度低，每平方公里人口不超過10人，這意味著很難砸到人；其次是場地開闊，防止返回器因為特殊地形而撞壞，而當地幾乎沒有大江大河，非常適宜著陸；第三，地勢平緩，有利于增加搜尋工作人員的視野，能夠從遠處就能夠看到返回艙的蹤跡；第四，天氣好，內蒙古四子王旗全年降雨稀少，晴朗天氣較多，非常有利于返回艙的降落；第五，地表足夠堅硬，返回器著陸之后不至于深陷地表之下。
嫦娥五號的多個“首次”
作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之作，嫦娥五號有望實現我國航天史上多個“首次”。
嫦娥五號工作過程（來源：微博太空精釀）
首次月面自動采樣與封裝
作為此次任務的核心關鍵之一，月球表面自動采樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。在這個階段，嫦娥五號探測器將在月面選定區域著陸，并采集月壤，實現我國首次月面自動采樣與封裝。
為此，中國航天科技集團五院的設計師們為嫦娥五號精心設計了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。當嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面后，就會開始為期兩天的月面工作，采集約2千克月壤并密封封裝，經月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移與再入回收等過程將月球樣品安全送回地球家園。
首次月面起飛上升
當嫦娥五號探測器完成月面工作后，就要踏上“回家”的旅程。回家第一步如果順利邁出，將會突破我國航天史上另一個首次———月面起飛上升。嫦娥五號順利完成月壤采樣封裝后，上升器就要準備月面點火起飛了。運載火箭在地球起飛是有一套完備發射塔架系統的。月面起飛就不一樣了，由于月球表面環境復雜，這給著陸器起飛帶來了很大難度。此外，嫦娥五號在月面起飛必須依靠自身力量實現起飛時的自主定位、定姿。
首次實現月球軌道交會對接
當著陸器托舉上升器實現月面起飛上升后，嫦娥五號一路飛奔而去。但僅依靠上升器是不可能實現返回地球的，它需要飛到月球軌道上與軌返組合體交會對接，把采集到的月壤轉移到返回器。然而，在38萬公里外的月球軌道上實施無人交會對接不僅在我國尚屬首次，在人類航天史上也是第一次。
首次帶月壤高速再入返回地球
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，這時它的飛行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度，一般從近地軌道返回的航天器速度則大多為每秒8公里的第一宇宙速度。這每秒3公里的差距給航天器再入返回地球帶來巨大難度，一旦速度過勐，返回器就會一頭撞向地球。
因此，在這一過程中必須讓返回器減速飛行。對此，科研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初次減速，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再入大氣層二次減速，最后返回地面，確保嫦娥五號安全順利降落。
嫦娥五號的國際關注
此前，嫦娥五號的成功落月引發了國際技術界強烈關注。特別是space.com，在著陸成功15分鐘后就第一個發了正式新聞，表示了祝賀。隨后，路透社和spaceflight也紛紛跟進了報道，俄羅斯航天局與歐空局也發來賀電。
據塔斯社報道，當地時間12月1日，負責國際合作的俄羅斯聯邦航天局副局長謝爾蓋?薩伐黎耶夫稱，俄羅斯聯邦航天局對嫦娥五號探測器成功落月表示祝賀。
薩伐黎耶夫說：“中國國家航天局完成了一次月球探測器采樣返回任務中的落月環節，這是中國航天事業上真正的歷史性事件，是中國太空探索史上的首次。”他還祝愿嫦娥五號探測器能夠成功將月球土壤樣本帶回地球，圓滿完成中國的科學計劃。他還表示，月球研究仍然是所有國家太空計劃的優先事項，俄羅斯與中國定期討論在這一領域的發展合作。
托馬斯?祖爾布琴博士推文截圖（來源：Twitter）
當地時間12月1日晚，歐洲空間局在社交媒體上分享了嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面預選著陸區的消息，并向中國國家航天局表示祝賀。歐空局還表示，通過其全球跟蹤站網絡，歐空局為嫦娥五號探測器提供了技術支持。
在嫦娥五號發射之后，歐空局位于法屬圭亞那的庫魯地面站曾對其進行數小時的追蹤。而在嫦娥五號返回地球的時候，歐空局將通過位于西班牙的馬斯帕洛馬斯地面站接收信號。
斯帕洛馬斯航天中心主任拉斐爾?薩哈貢?施瓦茲在接受采訪時講到：“我們將再次擔任重要工作，我們將用我們的直徑為15米的天線，對中國嫦娥五號探測器進入大氣層進行追蹤。我想強調的是，這個追蹤是非常重要的，因為知道探測器進入大氣層的確切切入點，就可以知道探測器著陸的具體方位。”
另外，美國國家航天局（NASA）級別最高的科學官員托馬斯?祖爾布琴博士（Dr Thomas Zurbuchen）也在境外社交媒體平臺推特上對嫦娥五號成功落月表示祝賀。他稱這并非易事，當從月球上收集的樣本被送回地球后，希望所有人都能從對這種可促進國際科學界進步的寶貴貨物進行的研究中受益。在嫦娥五號成功發射升空當天，祖爾布琴也曾發推文向中國表達祝賀。
發射入軌階段
2020年11月24日4時30分，在中國文昌航天發射場，通過長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器，火箭飛行約2200秒后，順利將探測器送入預定軌道，開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。
嫦娥五號點火（來源：國家航天局）
地月轉移階段
11月24日22時06分，嫦娥五號探測器3000N發動機工作約2秒鐘，順利完成第一次軌道修正，繼續飛向月球。
本次嫦娥五號任務發射入軌精度較高，軌道修正量很小。嫦娥五號探測器在飛行過程中，受多種因素影響，會產生軌道偏差，需要根據測定探測器實際飛行軌道與設計軌道之間的偏差，完成對應的探測器軌道控制，確保探測器始終飛行在適當的軌道上。
截至第一次軌道修正前，嫦娥五號探測器各系統狀態良好，在軌飛行約17個小時，距離地球約16萬公里。
11月25日22時06分，嫦娥五號探測器兩臺150N發動機工作約6秒鐘，順利完成第二次軌道修正。
截至第二次軌道修正，嫦娥五號探測器在軌飛行約41小時，距離地球約27萬公里，探測器各系統狀態良好，地面測控通信各中心和臺站跟蹤正常。
近月制動階段
11月28日20時58分，嫦娥五號探測器經過約112小時奔月飛行，在距月面約400公里處成功實施3000牛發動機點火，約17分鐘后，發動機正常關機。根據實時遙測數據監視判斷，嫦娥五號探測器近月制動正常，順利進入環月軌道。
近月制動是月球探測器飛行過程中關鍵的軌道控制之一。高速飛行的探測器在靠近月球時，實施“剎車”制動，目的是使其相對速度低于月球逃逸速度，從而被月球引力捕獲。嫦娥五號探測器在地月轉移過程中經歷了2次軌道修正，達到預期目標。
環月飛行階段
11月30日4時40分，在科技人員精確控制下，嫦娥五號探測器組合體順利分離。探測器各系統狀態良好，地面測控通信正常，軌道器和返回器組合體繼續在平均高度約200公里的環月軌道上飛行并等待上升器交會對接，著陸器和上升器組合體擇機實施月面軟著陸，進行自動采樣等后續工作。
著陸下降階段
12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區，并傳回著陸影像圖。
12月1日22時57分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體從距離月面約15公里處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器相對月球速度從約1.7公里/秒降為零。期間，探測器進行快速姿態調整，逐漸接近月表。此后進行障礙自動檢測，選定著陸點后，開始避障下降和緩速垂直下降，平穩著陸于月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。
著陸過程中，著陸器配置的降落相機拍攝了著陸區域影像圖。成功著陸后，著陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，正式開始持續約2天的月面工作，采集月球樣品。
嫦娥五號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像（來源：國家航天局）
月面工作階段
12月2日4時53分，探月工程嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝。探測器于12月1日23時許成功著陸月面后，開展了太陽翼展開、機構解鎖等相關準備工作。
著陸器和上升器組合體按計劃進行表取采樣，嫦娥五號探測器自動采樣任務采用表鉆結合，多點采樣的方式，設計了鉆具鉆取和機械臂表取兩種“挖土”模式。
12月2日22時，經過約19小時月面工作，探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣，并按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。
月面上升階段
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。
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，著陸器相當于上升器的“臨時塔架”，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；另外由于月球上沒有導航星座，上升器起飛后，需在地面測控輔助下，借助自身攜帶的特殊敏感器實現自主定位、定姿。
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”。
點火起飛后，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。隨后，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，后者等待合適的月地入射窗口，做好返回地球的準備。
嫦娥五號著陸器和上升器組合體全景相機拍攝五星紅旗在月面成功展開（來源：國家航天局）
交會對接與樣品轉移階段
12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并于6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國首次月球軌道交會對接。后續，嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器分離，擇機返回地球。
環月等待階段
12月6日12時35分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進入環月等待階段，準備擇機返回地球。
月地轉移階段
12月12日9時54分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體經歷了約6天的環月等待，實施了第一次月地轉移入射，從近圓形軌道變為近月點高度約200公里的橢圓軌道。月地轉移入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌道器和返回器組合體進入月地轉移軌道。
12月13日9時51分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體實施第二次月地轉移入射，在距月面230公里處成功實施四臺150牛發動機點火，約22分鐘后，發動機正常關機。根據實時遙測數據監視判斷，軌道器和返回器組合體成功進入月地轉移軌道。
后續，攜帶月球樣品的嫦娥五號軌道器和返回器組合體將在月地轉移過程中進行中途軌道修正，并擇機實施軌道器和返回器的分離。
嫦娥五號修正示意圖（來源：國家航天局）
12月14日11時13分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上兩臺25N發動機工作約28秒鐘，順利完成第一次月地轉移軌道修正。目前，攜帶月球樣品的嫦娥五號軌道器和返回器組合體各系統狀態良好。
再入回收階段
12月15日15時18分，嫦娥五號著陸地-四子王旗著陸場準備就緒，各項工作已就位。
20世紀六七十年代，美國和前蘇聯先后實現有人和無人月球采樣返回。嫦娥五號任務通過在預定著陸區域開展取樣，以及月面科學探測和后期月球樣品綜合分析，有望在月球形成過程、地質演變等方面取得新的科學認知。
2004年，我國探月工程立項實施，確定了“繞、落、回”三步走戰略規劃。九天攬月星河闊，十六春秋繞落回。16年來，中國探月工程五戰五捷，碩果累累。
2007年10月24日，嫦娥一號發射成功，在軌有效探測16個月，首次實現我國自主研制的衛星進入月球軌道并獲得全月圖。實現我國探月工程第一步戰略目標。
2010年10月1日，嫦娥二號作為二期工程先導任務發射成功，為嫦娥三號詳勘了落月區域，驗證了部分關鍵技術，獲得了世界上首幅7米分辨率全月圖；拓展任務實現飛赴日地L2點開展探測，與圖塔蒂斯小行星近距離交會。
2013年12月2日，嫦娥三號踏上奔月之旅。12月14日成功軟著陸在月球表面，隨后，著陸器與“玉兔號”月球車完成互拍并將圖像傳回地面，實現我國探月工程第二步戰略目標。
2014年10月24日，探月工程三期再入返回飛行試驗器從地球出發，成功繞月后，11月1日，返回器以半彈道跳躍方式再入地球大氣層，安全精確著陸，為嫦娥五號任務奠定了堅實技術基礎。
2018年5月21日，嫦娥四號任務的中繼通信衛星“鵲橋”發射成功。“鵲橋”穩定運行在地月引力平衡點軌道，解決了月球背面與地球的通訊問題。同年12月8日，嫦娥四號探測器從地球啟程，于2019年1月3日成功著陸在月球背面南極—艾特肯盆地馮?卡門撞擊坑的預選著陸區，實現人類探測器首次月球背面軟著陸。
2020年11月24日4時30分探月工程三期收官之戰嫦娥五號探測器的成功發射，中國探月工程在空間科學探測領域已實現多個“首次”。
如獲取了分辨率7米全月圖；獲得了首幅月球正面和背面地質剖面圖；月球背面甚低頻天文觀測填補了國際空白。我國還獲得了大量月球地質、環境、形貌等原始科學數據，帶動了空間物理、空間天文、行星科學等基礎學科的發展，推動我國月球科學研究向世界先進水平邁進。
月球科研站已在路上
目前我國正在規劃嫦娥六號、七號、八號任務。嫦娥六號任務將根據嫦娥五號任務情況，確定在月球正面或背面南極附近實施采樣返回。嫦娥六號任務預計在2023年至2024年實施。
中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁表示，我國探月工程四期將構建月球科研站基本型，這一基本型由運行在月球軌道和月面的多個探測器組成。
在11月25日閉幕的2020文昌國際航空航天論壇上，吳偉仁說，基本型將具備月球科學技術研究、資源開發利用技術驗證的能力，并與國際同行合作，建設國際月球科研站。
吳偉仁還表示，在我國探月工程四期的月球極區探測任務規劃中，嫦娥七號將對月球南極地形地貌、物質成分、空間環境等進行綜合探測。嫦娥八號除繼續開展科學探測試驗外，還將進行關鍵技術的驗證。
國際月球科研站建設思路設想（來源中國科學雜志社）
國際月球科研站是指由多國參與，按照“共商共建共享”的原則，在月面建設和運營的科學實驗實施，支持開展長期、較大規模的月球軌道與月面探測、天文與對地觀測、基礎科學實驗。
不知大家有沒有發現這樣一個變化：我國月球探測發展方式正從獨立自主走向開放合作，嫦娥四號首次搭載了多個國家的科學儀器，開展了中外聯合探測。
未來，我們將更多的開展國際合作。2019年4月18日，國家航天局在北京交接了嫦娥四號國際載荷科學數據，并發布嫦娥六號及小行星探測任務合作機遇公告，向國內院校、民營企業和國外科研機構進行征集。
中國將在嫦娥六號任務和小行星探測任務中提供搭載平臺和載荷資源的機會，也歡迎更多國家參與中國的月球與深空探測工程，加強月球與深空探測領域基礎科學研究的國際交流。
來源：學術頭條/王新凱
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