索阿娣

作為我國(guó)迄今為止系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的航天工程之一，嫦娥五號(hào)任務(wù)將突破月面自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、地球大氣層高速再入等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)探月工程“繞、落、回”三步走任務(wù)目標(biāo)，意義重大。此次任務(wù)過程中一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用和實(shí)踐，將為我國(guó)后續(xù)深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

肇 始

早在2009年，那時(shí)的中國(guó)探月工程剛剛實(shí)現(xiàn)了“繞”月，志在無人采樣返回的嫦娥五號(hào)探測(cè)器的相關(guān)論證工作就開始了。

“整個(gè)工程的指導(dǎo)思想非常明確。雖然過去了10多年，但我仍然記得很清楚，叫 ‘技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)可承受，體現(xiàn)當(dāng)代水平，經(jīng)得起歷史檢驗(yàn)。”那時(shí)剛剛接替孫家棟擔(dān)任中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師的航天測(cè)控通信專家吳偉仁，一上任就面臨論證難題。

在吳偉仁的帶領(lǐng)下，航天科技集團(tuán)五院彭兢、八院張玉花等100多名專家參與到嫦娥五號(hào)早期論證中。如今，彭兢、張玉花都是嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)的領(lǐng)軍人物。

那一年，北京很忙。張玉花記得，平均每個(gè)月都有論證會(huì)，因?yàn)閷＜覀兇蠖嘣诒本?，她得從上海趕過來開會(huì)。大家討論了很多種方案，對(duì)蘇聯(lián)Luna、美國(guó)Apollo等不同采樣返回方式進(jìn)行了細(xì)致分析。

1970年至1972年，蘇聯(lián)成功實(shí)施了3次月球無人自主采樣，共采回樣品321克。1969年至1972年，美國(guó)成功實(shí)施了6次載人登月，宇航員采回樣品382千克。

什么樣的方案適合中國(guó)？采樣量定多少？是否一定要經(jīng)過月球軌道交會(huì)對(duì)接？再入返回地球時(shí)采用彈道式還是跳躍式？是否要建立中國(guó)自己的深空探測(cè)網(wǎng)？這輪頭腦風(fēng)暴中，大家各抒己見、氣氛熱烈。

經(jīng)過討論，論證組最終確定了如下方案：探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，歷經(jīng)發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、著陸下降等階段，在完成月面工作后，再經(jīng)月面上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等飛行階段，攜帶約2公斤月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗著陸。

“如果只是為了完成無人采樣任務(wù)，嫦娥五號(hào)可以設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單很多。但考慮到后續(xù)的載人登月和深空探測(cè)， 嫦娥五號(hào)選擇了一條技術(shù)集成度較高的路線，包括月面著陸、采樣封裝、地外天體起飛、返回式可控再入等?！眳莻ト收f。

2011年，嫦娥五號(hào)正式立項(xiàng)，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月面無人采樣返回。在這個(gè)國(guó)家重大科技專項(xiàng)任務(wù)中，航天科技集團(tuán)承擔(dān)了運(yùn)載火箭和探測(cè)器兩個(gè)核心系統(tǒng)的研制工作。因?yàn)橄到y(tǒng)過于復(fù)雜，探測(cè)器系統(tǒng)被分成15個(gè)分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)下還設(shè)若干子系統(tǒng)。

2012年年底，完成技術(shù)攻關(guān)和方案論證工作，轉(zhuǎn)入初樣研制階段；2015年年底，完成初樣階段研制工作，轉(zhuǎn)入正樣研制階段；2017年1月，探測(cè)器具備出廠條件……

立項(xiàng)后，中國(guó)空間技術(shù)研究院副院長(zhǎng)楊孟飛擔(dān)任嫦娥五號(hào)探測(cè)器的總指揮兼總設(shè)計(jì)師，一大批懷揣夢(mèng)想的青年才俊加入了這支探月先鋒隊(duì)，開始了長(zhǎng)達(dá)10年的奔跑。

理 念

嫦娥五號(hào)所走的技術(shù)路徑在立項(xiàng)后頭兩年基本就確定了。

作為一名專家型領(lǐng)導(dǎo)，楊孟飛非常注重系統(tǒng)思維。在他看來，嫦娥五號(hào)十分復(fù)雜，方案階段一定要先做系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

“通常情況下，型號(hào)研制走的多是V形路線?？傮w將指標(biāo)分解到分系統(tǒng)再到單機(jī)，單機(jī)完成以后再進(jìn)行分系統(tǒng)設(shè)計(jì)直至系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 嫦娥五號(hào)走了個(gè)W形，先做一個(gè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，然后分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、單機(jī)方案設(shè)計(jì)證明方案可行性后，再走V形路線?！碧綔y(cè)器系統(tǒng)副總指揮張高透露，一開始很多人不太理解，但慢慢地意識(shí)到這是解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的重要法寶。

讓張高印象深刻的是，楊孟飛經(jīng)常會(huì)提到“三個(gè)見底”，即方案階段，技術(shù)要見底；初樣階段，產(chǎn)品要見底；正樣階段，過程要見底。簡(jiǎn)言之，所有的研制過程是要基于前期的方案、前期的產(chǎn)品，一定要實(shí)現(xiàn)過程受控。

遵循著這樣的思路，雖然探月工程三期是一個(gè)公認(rèn)的比較復(fù)雜的任務(wù)，但嫦娥五號(hào)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都按計(jì)劃如期完成。張高認(rèn)為，這種管理方法能夠聚焦目標(biāo)，不同階段解決不同問題，可以將一些復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化。

作為國(guó)家重大科技專項(xiàng)，嫦娥五號(hào)在研制理念上特別注重發(fā)揮重大工程的牽引作用。楊孟飛經(jīng)常對(duì)身邊的人說， 我們要對(duì)得起國(guó)家的重托，要站在人類航天科技的基礎(chǔ)上來開展工作，要體現(xiàn)在未來一段時(shí)間的技術(shù)先進(jìn)性。

他的這種思想潛移默化地影響著整個(gè)團(tuán)隊(duì)。

嫦娥五號(hào)攻克的我國(guó)首次月球表面自動(dòng)采樣、首次月球表面起飛、首次在38萬公里外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(huì)對(duì)接及樣品轉(zhuǎn)移、首次帶著月球樣品以接近第二宇宙速度返回地球等關(guān)鍵技術(shù)，都是我國(guó)引領(lǐng)人類月球開發(fā)的里程碑事件。

研 制

“長(zhǎng)征五號(hào)火箭立項(xiàng)在先。根據(jù)火箭的最大推力，嫦娥五號(hào)探測(cè)器的重量設(shè)定在8.2噸。其中，光推進(jìn)劑就占到5噸多。探測(cè)器系統(tǒng)要全面瘦身，多個(gè)備份產(chǎn)品也要取消。因此，可靠的輕量化設(shè)計(jì)是貫穿始終的主題?！碧綔y(cè)器副總設(shè)計(jì)師阮劍華介紹。

對(duì)此，很多研制人員都深有體會(huì)。劉仲是八院負(fù)責(zé)交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的主任設(shè)計(jì)師。不同于神舟飛船的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)，嫦娥五號(hào)在月球軌道上的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)僅30多公斤。

在嚴(yán)格的重量約束下，八院應(yīng)用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)了抱爪式的對(duì)接裝置和連桿式的轉(zhuǎn)移裝置，像母親的雙手一樣輕輕抓過封裝容器，實(shí)現(xiàn)月球樣品的轉(zhuǎn)移。

占據(jù)重頭分量的推進(jìn)分系統(tǒng)，自然也成為減重的焦點(diǎn)。探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師、六院型號(hào)總師洪鑫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，對(duì)探測(cè)器上的發(fā)動(dòng)機(jī)、貯箱、氣瓶、閥門等進(jìn)行了全方位再設(shè)計(jì)。

團(tuán)隊(duì)研制了國(guó)內(nèi)最輕的復(fù)合材料氣瓶，軌道器、著陸器和上升器3器中有2個(gè)采用了更輕的表面張力貯箱方案，另一個(gè)器也采用了更輕的材料來制造金屬膜片貯箱，同時(shí)對(duì)大部分發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)、試驗(yàn)。這些措施效果顯著，僅著陸器的4個(gè)貯箱就比最初方案減重26公斤。

這樣的例子不勝枚舉。推進(jìn)分系統(tǒng)的技術(shù)要求主要由探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師彭兢負(fù)責(zé)。由于彭兢不斷地對(duì)推進(jìn)分系統(tǒng)提減重要求，洪鑫對(duì)他說：“別人是斤斤計(jì)較，你是克克計(jì)較?！?/p>

與此同時(shí)，大量的工程試驗(yàn)工作也在同步進(jìn)行著。如何模擬出真實(shí)的月球環(huán)境，對(duì)任務(wù)的成敗至關(guān)重要。以嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的重要機(jī)構(gòu)——著陸緩沖機(jī)構(gòu)為例，只有置身于1/6重力場(chǎng)，它才能找到降落月面、支撐采樣工作及上升器起飛的感覺。

2015年夏天，彭兢和同事在北京東南郊的朱莊做了3個(gè)月試驗(yàn)。那里有座高110米的多維隨動(dòng)塔架試驗(yàn)設(shè)施，可模擬在1/6重力加速度條件下著陸器的運(yùn)行情況和GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)）系統(tǒng)的控制是否正確。

最終，他們收獲了滿意的試驗(yàn)結(jié)果。

再如，月面起飛是前所未有的一個(gè)全新環(huán)節(jié)，面臨軌道設(shè)計(jì)、起飛測(cè)控、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流等一系列難題。GNC系統(tǒng)在1/6重力條件下，綜合3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)、敏感器等各種產(chǎn)品性能，通過大量試驗(yàn)，最終使上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面也能安全起飛。

嫦娥五號(hào)首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球，風(fēng)險(xiǎn)極大。早在嫦娥五號(hào)、六號(hào)立項(xiàng)評(píng)估時(shí)，就有專家提出，直接執(zhí)行任務(wù)跨度太大，應(yīng)該增加一次飛行驗(yàn)證任務(wù)。因此，嫦娥五號(hào)任務(wù)有了一次真實(shí)的太空試驗(yàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)，再入返回器進(jìn)入大氣層后，通過飛行控制提升高度，在太空滑行一段距離后再次進(jìn)入大氣層，然后在內(nèi)蒙古中部地區(qū)著陸。這種“半彈道跳躍式再入”，因原理和過程就像打水漂，因此又被形象地稱為“太空打水漂”。

2014年11月1日，再入返回飛行試驗(yàn)器在內(nèi)蒙古預(yù)定區(qū)域順利著陸，試驗(yàn)獲得圓滿成功。通過真實(shí)飛行，科研人員獲得了高速再入返回地球的相關(guān)軌道設(shè)計(jì)、氣動(dòng)、熱防護(hù)、GNC等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。

歷經(jīng)了各種大考，2017年1月，嫦娥五號(hào)具備了出廠條件。

貯 存

然而，天有不測(cè)風(fēng)云。長(zhǎng)征五號(hào)遙二火箭發(fā)射失利后進(jìn)入了漫長(zhǎng)的歸零期。

嫦娥五號(hào)預(yù)定發(fā)射日期一變?cè)僮儯?從最早計(jì)劃的2017年年底到2019年，直至2020年。

在漫長(zhǎng)的等待時(shí)間里，嫦娥五號(hào)何去何從？一時(shí)間，隊(duì)伍也有些迷茫了。

探測(cè)器大概已經(jīng)加電測(cè)了2000多個(gè)小時(shí)了。綜合考慮后，嫦娥五號(hào)團(tuán)隊(duì)決定采取充入氮?dú)庹w貯存這樣一個(gè)方案。這種做法在先前的航天器中也有應(yīng)用，但是像這樣規(guī)模的整器貯存還是第一次。

根據(jù)五院的航天器貯存標(biāo)準(zhǔn)，廠房里出現(xiàn)了3個(gè)為嫦娥五號(hào)量身定制的大罩子，一個(gè)放著上組合體，一個(gè)放軌道器，一個(gè)放返回器，溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)處于完全受控狀態(tài)。

“那個(gè)大罩子是柔性的，有點(diǎn)像我們?nèi)粘Ｓ玫暮?jiǎn)易衣柜，每隔一段時(shí)間，我們會(huì)將嫦娥五號(hào)的設(shè)備取出來進(jìn)行測(cè)試，確定其狀態(tài)良好?！笨傮w主任設(shè)計(jì)師黃昊說。

當(dāng)然，不是所有的產(chǎn)品都集中在一起貯存，一些特殊產(chǎn)品則單獨(dú)貯存在各研制單位。

探測(cè)器回收系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師榮偉介紹，508所研制的回收用降落傘自2017年包好后一直存儲(chǔ)在自家的產(chǎn)品庫(kù)房中。其間，為防止包裝狀態(tài)貯存時(shí)間太長(zhǎng)影響性能，還要拆包打開，待2020年出廠前再次晾傘、重新包裝。

在產(chǎn)品貯存的日子里，大量的旁證試驗(yàn)也在開展著。這是一種被證明了的科學(xué)方法。兩個(gè)環(huán)境條件一致、技術(shù)指標(biāo)一致的產(chǎn)品，用其中一個(gè)的試驗(yàn)結(jié)果證明另一個(gè)的性能。這種方法，讓嫦娥五號(hào)團(tuán)隊(duì)對(duì)自己的產(chǎn)品始終心中有數(shù)。

“設(shè)計(jì)正確，驗(yàn)證充分，過程受控”，是經(jīng)常掛在楊孟飛嘴邊的一句話。產(chǎn)品貯存之后，作為嫦娥五號(hào)的當(dāng)家人，楊孟飛提出了一個(gè) “可信構(gòu)造與確認(rèn)”的觀點(diǎn)，要求大家“知其然更要知其所以然”。他認(rèn)為，一定能從科學(xué)上找到一個(gè)理論和方法，使所有的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和最終的實(shí)現(xiàn)過程能夠可信，從而實(shí)現(xiàn)航天器研制的必然成功。

為此，型號(hào)隊(duì)伍組織了多次大型交流研討會(huì)。從嫦娥五號(hào)論證開始一路干到現(xiàn)在的總體主任設(shè)計(jì)師舒燕對(duì)此感受深刻。她介紹，設(shè)計(jì)師們定期聚在一起探討如何構(gòu)造可信的模型，再去想辦法進(jìn)行驗(yàn)證、確認(rèn)，“這種抽絲剝繭的方式逼著大家把問題想透徹，從而真正地做到可信”。

在嫦娥五號(hào)團(tuán)隊(duì)流傳著一句笑談，如果誰(shuí)能夠經(jīng)得住楊孟飛“七個(gè)為什么”的盤問，那就是真厲害。即便是張玉花這樣的老將也坦言，只能接住“四個(gè)為什么”。

盡管有過迷茫，但嫦娥五號(hào)這支隊(duì)伍非常穩(wěn)定，主任設(shè)計(jì)師這一層面人員基本上沒有換過。談及這一點(diǎn)，嫦娥團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者非常自豪。

2020年11月24日，嫦娥五號(hào)帶著使命奔向月球。

掐指算來，距離立項(xiàng)，時(shí)間已過去整整10年。