还有一个多月，2020年就要结束了。不过，勤劳的中国航天人和科学家们仍在奋战。11月下旬，文昌卫星发射中心的101发射工位将再次迎来一位体重800多吨的客人——长征五号遥五运载火箭。而此次，她也将前往从未去过的目标——月球。这也是自去年年底以来的11个月内，“长征五号”系列运载火箭的第4次发射。正所谓“长五遥五送嫦五，冬月奔月去探月”
长征五号遥五运载火箭垂直转运至发射区
（图片来源：新华社记者 郭程）
而搭乘这枚“长征五号”运载火箭的旅客，便是大家已经熟知的“嫦娥五号”。在静静等待了3年之后，这位我国的使者，将开展月表采样返回任务，替我们带回月球的第一抔土。值得一提的是，此次任务将是迄今为止，我国最复杂的航天任务。
今天我们就来拆解一下这项最复杂任务，看看嫦娥五号将如何采样、如何将宝贵的月壤送回地球。
Part. 1
月球的珍贵土壤，将怎样被带回地球？
要想将一部分月壤样本带回地球，毫无疑问地，我们需要有一个从月球起飞的火箭（即上升器），她能够携带着这些月球纪念品离开月球。
但是，在离开月球之后，我们会有若干个选择：在月球轨道上停泊一会儿，或者是直接返回地球。
直接返回地球这个选择听起来非常简单直接，也确实能省下好多事情，苏联三次月球表面采样任务便是这样开展的。但是，由于人类目前还没有在月球建立火箭制造基地，因此这枚上升器必须由地球出发，再将封装好的月壤样品送回地球表面。这就意味着上升器会需要携带有返回地球所需要的全套物资，就会导致其变重。而如果上升器变重，相应地，就需要更多的燃料，才能将其送到月球表面，最终会导致探测器整体起飞质量的大幅增加。
即使“长征五号”尽管是我国现役运力最大的火箭，这样的起飞质量需求对她来说，也很难满足，毕竟她月球转移轨道的投送能力是8吨左右。
因此，我们的上升器为了多装月壤，只能轻装上阵，放弃一些不必要的物资，在月球轨道上飘一段时间。
既然在月球轨道上有一个等待返回的火箭，那么势必需要一个轨道器待命，为火箭提供返回地球的动力。而一般的，轨道器是不具备再入设计的，因此，需要一个再入器，来抵抗火箭以接近第二宇宙速度再入地球时产生的高温。
同时，为了减少返回的负载，在对接完毕之后，上升器还需要进行样品的转移与交接，将样品从上升器中装入再入器，进行封装。
最后，我们还需要把上升器从月球轨道上送下去，也就有了着陆器的设计。
嫦娥五号结构图
图片来源：百度百科
所以我们可以看到，相比于前面“嫦娥一号”到“嫦娥四号”的月球探测器，“嫦娥五号”的结构复杂得多，足足有4个主要部件——上升器、着陆器、再入器和轨道器，而“嫦娥一号”与“嫦娥二号”仅仅是一个轨道器，“嫦娥三号”与“嫦娥四号”也只有一个着陆器与一个巡视器。
中国探月工程三步走战略
（中国探月与深空探测网）
Part. 2
一次探月飞行都有哪些难点？
从任务的操作来看，一次探月飞行包括两次发射（地面发射与月面发射），两次着陆（月面着陆与地球着陆），两次封装（月面封装与月轨封装），一次交会对接（月轨对接）。
可以看到，整个任务的复杂度大大增加，而且全新的任务要求更是对我国航天人的重大考验。好在，这些考验在过去几年的历程中，早已被我们一一攻克。
首先是发射。
发射可以分为地面发射与月面发射两个不同的任务。地面发射任务的难点主要在“长征五号”本身，7月份发射的“天问一号”仍然在飞行途中，相信肩负重任的胖五也能一切顺利！
而月面发射任务的难点主要在起飞阶段——不同于地面发射场完备的保障体系，月面发射存在不可控的因素，最突出的一点就是落月位置。
着陆器的落月范围是存在误差的，而这点误差就会带来发射地点的经纬度、坡度、高程的变化。为了解决这个问题，嫦娥五号必须能够精确地知道自己身处何方，状态如何，从而为上升数据注入提供依据。
同时，由于下端就是着陆器，上升器在点火的瞬间会有一个较强的冲击，这也是影响她能否正常起飞的重要因素。
长征五号
图片来源：国家航天局
第二是着陆。
着陆可以分为月面着陆与地面着陆两个不同的任务。月面着陆已经有“嫦娥三号”、“嫦娥四号”珠玉在前，特别是落在月背的“嫦娥四号”，着陆精度显著提升，月面着陆对于“嫦娥五号”而言并不是一个太大的问题，唯一需要注意的就是她携带了上升器，因此其质心较高，容易失去稳定性，但这个问题是比较容易克服的。
真正的挑战来自地面着陆。由于月球与地球的距离遥远，在离开月球返回地球的路上，火箭的速度会不断上升，在进入地球大气层时，会以第二宇宙速度左右的高速再入。
为了防止她因为温度过高而再入失败，一般有两种方案：第一是增加热盾厚度，抵抗再入时产生的高温；第二是调整再入角度，延长再入时间。
第一种方法的优点是简单，再入路径短，落区误差小，但缺点是热盾将变得极其沉重；第二种方案的优缺点则正好相反。
探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空
图片来源：国家航天局
而这次“嫦娥五号”的再入器将携带有至少2kg重的月壤样本，可以说是收获满满，增大热盾厚度将会“牵一发而动全身”，令整个探测器增重许多，因此我国选择的是第二种方法。
由于再入角度特殊，“嫦娥五号”的再入器甚至会在大气层密度变化的部分发生跳跃，跳出大气层，随后二次再入。这一俗称“太空打水漂”的方案进一步增大了落点控制的难度。
那么，这个方案可不可行？答案是可行的。
因为早在2014年，我国就利用“嫦娥五号T1”试验器“舞娣”进行了一次测试，再入器样件在经过了长时间的再入之后，安安稳稳地落在了预定的落区范围内，圆满完成了任务，验证了再入技术的可靠性。
探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功，
图为飞行试验器回收现场
图片来源：国家国防科技工业局
第三是封装。
封装可以分为月面封装与月轨封装两个不同的任务。
在月面上的封装，是对于月壤而言的，“嫦娥五号”的机械臂在采集月壤样本之后，将其通过一系列方式送入上升器中，进行第一次封装，防止其在离开月球的过程中出现损耗。第二次封装则是上升器的月壤转移到再入器中，来保护月壤样品不受再入时恶劣环境的影响。
这两个任务非常重要，一旦操作不当，甚至会带来“功亏一篑”的恶果——试想一下，再入器扛过了极端恶劣的环境，但是她的密封盖却被打开，里面的样本付之一炬，那是何等地令人遗憾！因此，封装工作的唯一要求就是严丝合缝，完全地密封。
这次封装工作的难点在于它是完全无人操作的——以往的再入器，要么不打开封装盖（返回式生物卫星、无人飞船），要么是有人飞船，航天员能够进行细致的检查。
当人这一重要角色缺位的时候，要想全自动地实现月壤“采集-包装-转移-封装”一条龙服务，难度可想而知。
嫦娥四号软着陆区月壤样本光谱分析结果
图片来源：国家航天局
第四就是月球轨道对接。
尽管我国的空间自主交会对接工作技术已经成熟，但这些都是在地球轨道上进行的，有充足的地面站与人造卫星资源提供精准的测距、定位、导航服务，在月球轨道附近，这些服务资源将大大减少，需要更多地让探测器自主实现。可以说，在月球轨道进行交会对接的工作，也是这次任务的重点之一。
天宫一号与神舟飞船进行空间交会对接试验
图片来源：国家航天局
除了以上难点之外，探测器的部件多导致连接件数量多，由此引发的强度问题，探测器之间的即时通信，采样机械臂在月球特殊环境下的可靠性等等，都是此次任务需要一一予以验证与解决的问题。
此外，即便“嫦娥五号”任务完成之后，再入器内部的环境仍然是真空，在我们揭开盖子的时候，仍然需要在设施完善的特殊实验室内进行，以防止地球大气的涌入对样本造成影响。
这些细节贯穿着这次“嫦娥五号”任务的始终，其中任何一环出了问题，都将对任务造成毁灭性的影响。
也正因如此，“嫦娥五号”成为了我国迄今为止最为复杂的航天任务。为了在这场大考中交出一份满意的答卷，中国航天几乎所有的先进技术都将得到使用，各个部门的“航天人”用完备的论证，充分的实验，辛勤的汗水，凝结成了“嫦娥五号”的战衣，带着我们的希望，伴随她前往这漫漫的征途。
祝她一路顺利！顺利出发，顺利归来！
来源：中国科普博览
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来源： 国家空间科学中心