【CSA科普】嫦娥五号发射专题（三）——嫦娥五号：大器十年始铸成

早在2009年，那时的中国嫦娥工程刚刚实现了“绕”月，志在无人采样返回的嫦娥五号探测器的相关论证工作就开始了。

“整个工程的指导思想非常明确。虽然过去了10多年，但我仍然记得很清楚，叫‘技术先进，经济可承受，体现当代水平，经得起历史检验’。”那时刚刚接替孙家栋担任中国探月工程总设计师的航天测控通信专家吴伟仁，一上任就面临论证难题。

在吴伟仁的带领下，航天科技集团中国空间技术研究院的彭兢、上海航天技术研究院的张玉花等100多名专家参与到嫦娥五号早期论证中。如今，彭兢、张玉花都是嫦娥五号探测器系统的领军人物。

那一年，北京很忙。张玉花记得，平均每个月都有论证会，因为专家们大多在北京，她得从上海赶过来开会。大家讨论了很多种方案，对苏联月球计划、美国阿波罗计划等的不同采样返回方式进行了细致分析。

1970年至1972年，苏联成功实施了3次月球无人自主采样，共采回样品321克。1969年至1972年，美国成功实施了6次载人登月，航天员采回样品381千克。

什么样的方案适合中国？采样量定多少？是否一定要经过月球轨道交会对接？再入返回地球时采用弹道式还是跳跃式？是否要建立中国自己的深空探测网？这轮头脑风暴中，大家各抒己见、气氛热烈。

经过讨论，论证组最终确定了如下方案：探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成，历经发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降等阶段，在完成月面工作后，再经月面上升、月球轨道交会对接与样品转移、环月等待、月地转移和再入回收等飞行阶段，携2公斤月球样品在内蒙古四子王旗着陆。

▲ 嫦娥五号探测器

“如果只是为了完成无人采样任务，嫦娥五号可以设计得简单很多。但考虑到后续的载人登月和深空探测，嫦娥五号选择了一条技术集成度较高的路线，包括月面着陆、采样封装、地外天体起飞、返回式可控再入等。”吴伟仁说。

2011年，嫦娥五号正式立项，任务是实现无人采样返回。在这个国家重大科技专项任务中，航天科技集团承担了运载火箭和探测器两个核心系统的研制工作。因为系统过于复杂，探测器系统被分成15 个分系统，每个分系统下还设若干子系统。

2012年年底，完成技术攻关和方案论证工作，转入初样研制阶段；2015年年底，完成初样阶段研制工作，转入正样研制阶段；2017年 1 月，探测器具备出厂条件……立项后，中国空间技术研究院副院长杨孟飞担任嫦娥五号探测器的总指挥、总设计师，一大批怀揣梦想的青年才俊加入了这支探月先锋队，开始了长达10年的奔跑。

嫦娥五号所走的技术路径在立项后头两年基本就确定了。

作为一名技术型领导，杨孟飞非常注重系统思维。在他看来，嫦娥五号十分复杂，方案阶段一定要先做系统设计。

“通常情况下，型号研制走的多是V形路线。总体将指标分解到分系统再到单机，单机完成以后再进行分系统设计直至系统设计。嫦娥五号走了个W形，先做一个系统的方案设计，然后分系统方案设计、单机方案设计证明方案可行性后，再走 V 形路线。”探测器系统副总指挥张高透露，一开始很多人不太理解，但慢慢地意识到这是解决复杂系统问题的重要法宝。

让张高印象深刻的是，杨孟飞经常会提到“三个见底”，即方案阶段，技术要见底；初样阶段，产品要见底；正样阶段，过程要见底。简言之，所有的研制过程是要基于前期的方案、前期的产品，一定要实现过程受控。

遵循着这样的思路，虽然探月工程三期是一个公认的比较复杂的任务，但嫦娥五号的关键节点都按计划如期完成。张高认为，这种管理方法能够聚焦目标，不同阶段解决不同问题，可以将一些复杂问题简单化。

作为国家重大科技专项，嫦娥五号在研制理念上特别注重重大工程的牵引作用。杨孟飞经常对身边的人说，我们要对得起国家的重托，要站在人类航天文明的基础上来开展工作，要体现技术在未来一段时间的先进性。

他的这种思想潜移默化地影响着整个团队。

嫦娥五号攻克的首次实现我国航天器在月球表面自动采样、首次从月球表面起飞、首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接及样品转移、首次带着月球样品以近第二宇宙速度返回地球等技术，都是我国引领人类月球开发的里程碑事件。

“长征五号火箭立项在先。根据火箭的最大推力，嫦娥五号探测器的重量设定在8.2吨。其中，光推进剂就占到5吨多。探测器系统要全面瘦身，多个备份产品也要取消。因此，可靠的轻量化设计是贯穿始终的主题。”探测器副总设计师阮剑华介绍。

对此，很多研制人员都深有体会。刘仲是上海航天技术研究院负责交会对接与样品转移机构的主任设计师。不同于神舟飞船的交会对接系统，嫦娥五号在月球轨道上的交会对接系统仅30多公斤。在严格的重量约束下，上海航天技术研究院应用仿生学原理，设计了抱爪式的对接装置和连杆式的转移装置，像母亲的双手一样轻轻抓过封装容器，实现月球样品的转移。

占据重头分量的推进分系统，自然也成为减重的焦点。探测器系统副总设计师、六院型号总师洪鑫带领团队，对探测器上的发动机、贮箱、气瓶、阀门等进行了全方位再设计。他们研制了国内最轻的复合材料气瓶，轨道器、着陆器和上升器3个器中有2个器采用了更轻的表面张力贮箱方案，另一个器也采用了更轻的材料来制造金属膜片贮箱，同时对大部分发动机进行了重新设计、试验。这些措施效果显著，仅着陆器的4个贮箱就比最初方案减重26公斤。

这样的例子不胜枚举。推进分系统的技术要求主要由探测器副总设计师彭兢负责。由于彭兢不断地对推进分系统提减重要求，洪鑫对他说：“别人是斤斤计较，你是克克计较。”

与此同时，大量的工程试验工作也在同步进行着。如何模拟出真实的月球环境，对任务的成败至关重要。以嫦娥五号实现月球软着陆的重要机构——着陆缓冲机构为例，只有置身于1/6重力场，它才能找到降落月面、支撑采样工作及上升器起飞的感觉。

▲ 工作人员在紧张地工作

2015年夏天，彭兢和同事在北京东南郊的朱庄做了3个月试验。那里有座高110米的多维随动塔架试验设施，可模拟在1/6重力加速度条件下着陆器的运行情况和 GNC（制导、导航与控制技术）系统的控制是否正确。最终，他们收获了满意的试验结果。

再如，月面起飞是前所未有的一个全新环节，面临轨道设计、起飞测控、发动机羽流导流等一系列难题。GNC系统在1/6重力条件下，综合3000牛发动机、敏感器等各种产品性能，通过大量试验，最终使上升器哪怕着陆在有一定斜度的坡面也能安全起飞。

嫦娥五号首次带着月壤以近第二宇宙速度返回地球，风险极大。早在嫦娥五号、六号立项评估时，就有专家提出，直接执行任务跨度太大，应该增加一次飞行验证任务。因此，嫦娥五号任务有了一次真实的太空试验。

根据设计，再入返回器进入大气层后，通过飞行控制提升高度，在太空滑行一段距离后再次进入大气层，然后在内蒙古中部地区着陆。这种“半弹道跳跃式再入”，因原理和过程就像打水漂，因此又被形象地称为“太空打水漂”。

2014年11月1日，再入返回飞行试验器在内蒙古预定区域顺利着陆，试验获得圆满成功。通过真实飞行，科研人员获得了高速再入返回地球的相关轨道设计、气动、热防护、制导导航与控制等关键技术数据。

历经了各种大考，2017年1月，嫦娥五号具备了出厂条件。

然而，天有不测风云。长五遥二火箭发射失利后进入了漫长的归零期。嫦娥五号预定发射日期一变再变，从最早计划的2017年年底到 2019年，直至2020年。

在漫长的等待时间里，嫦娥五号何去何从？一时间，队伍也有些迷茫了。

探测器大概已经加电测了2000多个小时了。综合考虑后，嫦娥五号团队决定采取充入氮气整体贮存这样一个方案。这种做法在先前的航天器中也有应用，但是像这样规模的整器贮存还是第一次。

根据中国空间技术研究院的航天器贮存标准，唐家岭航天城厂房里出现了3个为嫦娥五号量身定制的大罩子，一个放着上组合体，一个放轨道器，一个放返回器，温度、湿度等环境指标处于完全受控状态。

“那个大罩子是柔性的，有点像我们日常用的简易衣柜，每隔一段时间，我们会将嫦娥五号的设备取出来进行测试，确定其状态良好。”总体主任设计师黄昊说。

当然，不是所有的产品都集中在一起贮存，一些特殊产品则单独贮存在各研制单位。

探测器回收系统主任设计师荣伟介绍，508所研制的回收用降落伞自2017年包好后一直存储在自家的产品库房中。其间，为防止包装状态贮存时间太长影响性能，还要拆包打开，待2020年出厂前再次晾伞、重新包装。

在产品贮存的日子里，大量的旁证试验也在开展着。这是一种被证明了的科学方法。两个环境条件一致、技术指标一致的产品，用其中一个的

试验结果证明另一个的性能。这种方法，让嫦娥五号团队对自己的产品始终心中有数。

“设计正确，验证充分，过程受控”，是经常挂在杨孟飞嘴边的一句话。产品贮存之后，作为嫦娥五号的当家人，杨孟飞提出了一个“可信构造与确认”的观点，要求大家“知其然更要知其所以然”。他认为，一定能从科学上找到一个理论和方法，使所有的设计验证和最终的实现过程能够可信，从而实现航天器研制的必然成功。

▲ 科研人员在监测数据

为此，型号队伍组织了多次大型交流研讨会。从嫦娥五号论证开始一路干到现在的总体主任设计师舒燕对此感受深刻。她介绍，设计师们定期聚在一起探讨如何构造可信的模型，再去想办法进行验证、确认，“这种抽丝剥茧的方式逼着大家把问题想透彻，从而真正地做到可信”。

在嫦娥五号团队流传着一句笑谈，如果谁能够经得住杨孟飞“七个为什么”的盘问，那就是真厉害。即便是张玉花这样的老将也坦言，只能接住“四个为什么”。

尽管有过迷茫，但嫦娥五号这支队伍非常稳定，主任设计师这一层面人员基本上没有换过。谈及这一点，嫦娥团队的领导者非常自豪。

2020年11月24日，嫦娥五号带着使命奔向月球。掐指算来，距离立项，时间已过去整整10年。

来源/《太空探索》2020年第12期

文/索阿娣