01.發(fā)射

11月24日 凌 晨4時30分，長征五號遙五運(yùn)載火箭把嫦娥五號探測器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。目前，全球范圍內(nèi)能將8噸級探測器直送地月轉(zhuǎn)移軌道的國家僅有兩個，一個是美國，另一個就是中國。

02.地月轉(zhuǎn)移軌道飛行

地月轉(zhuǎn)移軌道是地月間能量消耗較小的軌道，嫦娥二號、三號、四號，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器任務(wù)走的都是該軌道。在這條“長途高速公路”上，嫦娥五號的飛行時間大約是112個小時，其間進(jìn)行1～3次中途修正。

地面深空測控網(wǎng)將實(shí)時工作，保證嫦娥五號在茫茫宇宙中不迷失方向。

03.近月制動

當(dāng)嫦娥五號飛抵近月點(diǎn)約200公里的位置時，及時的“太空剎車減速”尤為重要。如果沒有及時剎車減速，嫦娥五號將飛離月球；如果減速過猛，還可能撞上月球。因此，必須精確計算點(diǎn)火時間。在這次任務(wù)中，為了更好地進(jìn)行柔性控制，嫦娥五號將踩上兩腳剎車。

不同于嫦娥一號、二號使用的490牛軌控發(fā)動機(jī)，嫦娥五號的軌控發(fā)動機(jī)是新研制的3000牛發(fā)動機(jī)。它的比沖高達(dá)312秒，性能非常好。

04.環(huán)月飛行

2次減速剎車后，嫦娥五號將被月球引力捕獲，從而進(jìn)入一個高度約200公里的環(huán)月軌道。

在環(huán)月軌道上，嫦娥五號著陸器與軌道器支撐艙分離，形成“軌道器、返回器組合體（軌返組合體）”與“著陸器、上升器組合體（著上組合體）”。

軌返組合體將繼續(xù)留在200公里環(huán)月軌道運(yùn)行，等待上升器的歸來。著上組合體則通過2次降軌變軌至近月點(diǎn)15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)200公里的著陸準(zhǔn)備軌道，進(jìn)行為期兩天左右的環(huán)月飛行。

05.月面下降

著上組合體要執(zhí)行落月任務(wù)。這一過程在嫦娥三號、四號任務(wù)中已經(jīng)得到成功實(shí)踐。因?yàn)殒隙鹞逄栔懼亓勘孺隙鹑柡玩隙鹚奶栆睾芏?，所以著陸時間增長至15分鐘左右，風(fēng)險也更大一些。

在機(jī)器視覺全自主避障系統(tǒng)、7500牛變推力發(fā)動機(jī)與水平機(jī)動推力器的綜合作用下，嫦娥五號可實(shí)現(xiàn)較高精度的月面著陸。著陸的目標(biāo)地是月球正面呂姆克山脈附近。該山脈坐落在月球北緯40.8°、西經(jīng)58.1°處，面積大、邊緣很陡、山頂比較平坦。

06.月面工作

嫦娥五號著上組合體的月面工作時間設(shè)定為48小時，目標(biāo)是采集約2公斤的月球樣品。

采樣方式分為表取和鉆取。這兩種方式互相補(bǔ)充，既能夠獲得表層或次表層月壤，又能夠采集深層樣品，獲得層理信息。為此，著上組合體配備了人類迄今為止最為全面的地外天體樣本抓取機(jī)構(gòu)。其中，鉆取采樣裝置可以鉆取月面下2米深度的月巖樣本；表取采樣裝置則由四自由度機(jī)械臂與末端采樣器組成，基于機(jī)械臂功能可以實(shí)現(xiàn)大范圍多樣化采樣。

嫦娥五號采樣目標(biāo)約2公斤月球樣品，在無人采樣領(lǐng)域堪稱佼佼者。此前人類曾發(fā)射3艘無人月球采樣飛船，獲取的月壤總量也僅有326克。

月面采樣任務(wù)結(jié)束后，完成月球樣本密封封裝工作的上升器，準(zhǔn)備從月面點(diǎn)火起飛。

07.月面上升

月面起飛是一個從未進(jìn)行過的高難度動作。軌道設(shè)計、起飛測控、發(fā)動機(jī)羽流導(dǎo)流等都是核心難題。

在研制過程中，嫦娥五號全尺寸羽流導(dǎo)流綜合驗(yàn)證試驗(yàn)充分驗(yàn)證了設(shè)計的可靠性與正確性，月面起飛用3000牛發(fā)動機(jī)經(jīng)過了嚴(yán)苛的考驗(yàn)，GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)也對垂直上升段、上升調(diào)姿段、軌道入射段進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真。

不同于地球環(huán)境，從月球表面起飛存在很多未知因素。比如，月面軟著陸過程無法保證精確的水平姿態(tài)，同時也無法提供完備的起飛、發(fā)射支持；月塵對設(shè)備的影響未知。在GNC系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)的共同作用下，上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面，也要能夠安全起飛。

此次月面發(fā)射的窗口期很短，上升器和軌返組合體要精準(zhǔn)考慮測控需求、光照需求以及姿態(tài)控制要求，以確保交會對接的順利完成。

08.月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移

上升器從月面起飛，進(jìn)入近月點(diǎn)15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)180公里的目標(biāo)軌道，經(jīng)過兩天的環(huán)月飛行，完成與軌返組合體之間的遠(yuǎn)程導(dǎo)引，進(jìn)入自主近程交會段后，在交會對接敏感器導(dǎo)引下于3.5小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩器對接。對接之后，上升器將樣品轉(zhuǎn)移至返回器。

不同于載人航天工程的地球近地軌道交會對接，嫦娥五號要突破的是首次在38萬公里以外的月球軌道無人交會對接技術(shù)。除了要攻克深空軌道多目標(biāo)高精度制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，還需要輕量化的對接系統(tǒng)。

“神舟”與“天宮”交會對接是體量相當(dāng)?shù)目臻g目標(biāo)撞擊，而嫦娥五號的軌返組合體超過2噸，上升器才幾百公斤。為了保證彼此的安全，要改撞擊為停靠抓捕。軌返組合體要主動對接上升器，呈現(xiàn)大追小的復(fù)雜工況。

為了解決這一難題，一種被稱為抱爪式的空間輕小型弱撞擊對接機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。它采用捕獲、校正、鎖緊、自動轉(zhuǎn)移功能一體化設(shè)計，在無人交會對接的同時，通過連桿式的轉(zhuǎn)移裝置實(shí)現(xiàn)樣品容器自動轉(zhuǎn)移。

09.環(huán)月等待

完成對接與樣品轉(zhuǎn)移后的上升器使命終結(jié)，與軌返組合體再次分離。緊接著，軌返組合體將進(jìn)入為期5～7天的環(huán)月等待飛行，等待進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道的合適窗口，全力以赴做好返回地球的準(zhǔn)備。

10.月地轉(zhuǎn)移

當(dāng)月地轉(zhuǎn)移軌道窗口到來時，軌道器3000牛發(fā)動機(jī)點(diǎn)火加速飛向地球。嫦娥五號軌返組合體帶著月球采樣樣品滿載而歸。當(dāng)距離地球約5000公里高度時，軌返組合體建立分離姿態(tài)，隨后二者分離，返回器即將回到地球的懷抱。

11.近第二宇宙速度再入大氣層

以往神舟飛船再入大氣層的初始速度是7.6公里/秒，所承受的再入大氣燒蝕溫度在2000攝氏度左右，而嫦娥五號的返回器則將以約11公里/秒的近第二宇宙速度再入大氣層，與大氣摩擦的燒蝕溫度將近3000攝氏度。

為了抵御高溫?zé)g，返回器應(yīng)用了強(qiáng)大的防熱燒蝕材料。艙體承受高溫?zé)g的同時還面臨氣動減速難題。

工程師們創(chuàng)新設(shè)計出高速半彈道跳躍式返回軌道，就像打水漂一樣。返回器第一次再入大氣后，在距地面約60公里處利用大氣升力再度反彈回太空，然后第二次再入大氣層實(shí)現(xiàn)減速。

返回器在距離地面接近1萬米高度時，減速傘與主傘相繼拉出，最終將著陸于內(nèi)蒙古四子王旗著陸場。★