嫦娥五號

嫦娥五號探測器是中國探月工程 “繞、落、回” 規劃中第三階段的月球探測器，執行中華人民共和國的首次地外天體取樣返回任務，計劃採集約 2000 克月球樣本返回地球。嫦娥五號於 2020 年 11 月 24 日凌晨 4 時 30 分在海南省文昌航天發射場發射升空，完成月球表面自動取樣任務後，攜帶 1731 克月球樣品於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分在內蒙古四子王旗著陸場著陸。這是繼月球 24 號之後時隔 44 年人類再次從月面帶回月球樣本。

歷史

2004 年 1 月 23 日，時任國務院總理溫家寶正式批准月球探測工程經立項，工程被命名為 “嫦娥工程”，分為 “繞、落、回” 三個階段。第三期工程實施時間為 2011 年至 2020 年，目標是月面巡視勘察與取樣返回。2011 年 1 月，國務院正式批覆嫦娥五號立項，探測器啟動研製工作。2012 年 12 月，嫦娥五號探測器系統方案完成階段研製總結評審，轉入初樣研製階段。

2013 年 11 月，嫦娥三號發射前夕，中國工程院院士、著名運載火箭專家龍樂豪表示，第三階段 “回” 是嫦娥五號、嫦娥六號的任務，時間可能是 2017 年到 2020 年。

2014 年 3 月，“嫦娥五號” 總指揮顧問、總設計師顧問葉培建透露，鑑於嫦娥三號已經由 2015 年提前至 2013 年完成，嫦娥五號也有望從 2020 年提前至 2017 年完成。

2014 年 10 月，中國跳躍式再入返回飛行試驗成功，為探月三期工程驗證了相關技術，獲取了有效的試驗資料。2015 年 7 月嫦娥五號探測器全面進入正樣研製階段。

2015 年 3 月，國家航天局局長許達哲透露，嫦娥五號發射日期為 2017 年前後。

2017 年 4 月，用於發射嫦娥五號探測器的長征五號遙三火箭在天津大火箭基地進行總裝。同年 6 月 7 日，中國航天科技集團公司在全球航天探索大會上首次公佈了探月三期工程的總體方案。同年 7 月 2 日，長征五號遙二運載火箭發射實踐十八號衛星失利，原定 2017 年底發射的嫦娥五號任務被迫推遲。2019 年 12 月 27 日，長征五號遙三運載火箭發射實踐二十號衛星成功，長征五號成功復飛，困擾這款火箭的發動機問題基本獲得解決。

2020 年 7 月，嫦娥五號探測器空運抵達發射場，此後開展了將近 5 個月的發射場工作。2020 年 9 月下旬，長征五號遙五運載火箭由遠望運輸船隊安全運抵海南文昌清瀾港，並透過公路運輸方式分段運送至中國文昌航天發射場。此後，火箭按照測試發射流程，陸續完成了總裝、測試等各項準備工作。11 月 17 日上午，活動發射平臺駛出發射場垂直測試廠完成垂直轉運。

任務目標

嫦娥五號的科學目標為：

進行著陸區的現場調查和分析。
開展月球著陸區地形探測和地質勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析資料，建立現場探測資料與實驗室分析資料之間的聯絡。
對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究，分析月壤的結構、物理特效、物質組成，深化月球成因和演化歷史的研究。

工程目標包括：

突破窄視窗多軌道裝訂發射、月面自動取樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移、地球大氣高速再入、多目標高精度測控、月球樣品儲存等技術。
實現首次地外天體自動取樣返回，推進中國科學技術重大跨越。
完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。

系統組成

3.1 探測器組成結構

嫦娥五號由軌道器、返回器、上升器和著陸器組成，總質量達 8200 千克。都分別具備獨立飛行能力及月面著陸、取樣、上升、對接、返回等功能。

在取樣返回任務中，各組成部分發揮了不同的作用

著陸器：在月球表面與月面以下收集月壤樣本與月岩樣本，收集的樣本放置在上升器的容器中；
上升器：在著陸器採集樣本完成後從月面上升，與軌道器返回器組合體會合、對接。之後轉移樣品到返回器，與軌道器返回器組合體分離；
軌道器：樣本轉移到返回器後，攜返回器返回地球，到達預定位置釋放返回器；
返回器：與上升器對接後接收月壤月岩樣本，並經過大氣層 “打水漂” 兩次再入回到地球。

嫦娥五號設計有兩種取樣方式，用以豐富樣品型別。其一是在月面打鑽，是為取得較深層的月壤；其二是用機械臂在月球表面取樣，在有限範圍內橫掃收集月壤。兩種樣品的比例約為 1：3，表面採取的月壤更多。隨後，上升器將攜帶月壤樣品從停駐在月面的著陸器上起飛，並由軌道器抓獲，將月壤樣品轉移到返回器裡。

3.2 載荷

嫦娥五號的有效載荷全部安裝在著陸器上，按功能可分為科學類載荷和工程及支撐類載荷，具體包括：

科學類載荷：全景相機、降落相機、月壤結構探測儀、月球礦物光譜分析儀。
工程及支撐類載荷：全景相機轉檯、國旗展示系統、載荷資料處理器。

3.3 其他輔助系統

任務的其它系統包括：

運載火箭系統：採用長征五號作為運載火箭。
發射場系統：海南文昌航天發射場。
測控與回收系統：新建，建設 X 波段相控陣雷達等設施、採用三站聯測等技術，形成中國高速再入返回測量分系統。返回著陸選用內蒙古四子王旗著陸場。
地面應用系統：探月工程地面應用系統科學應用中心。

任務歷程

嫦娥五號從發射入軌到返回器再入回收，共經歷 11 個飛行階段：發射入軌階段、地月轉移階段、近月制動階段、環月飛行階段、著陸下降階段、月面工作階段、月面上升階段、交會對接與樣品轉移階段、環月等待階段、月地轉移階段和再入回收階段。

4.1 發射經過

2020 年 11 月 23 日 18 時 30 分許，長徵五號運載火箭開始加註液氧液氫低溫推進劑。24 日凌晨 4 時 30 分，在中國文昌航天發射場，用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 秒後，順利將探測器送入預定地月轉移軌道。探測器經過兩次中途修正和兩次近月制動後進入環月軌道。

11 月 30 日 04 時 40 分 14.822 秒，嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體順利分離。

4.2 月面著陸與取樣

在月球背面實施兩次環月降軌機動後，於 12 月 1 日 22 時 57 分從距離月面 15 公里處開始實施動力下降，7500 牛變推力發動機開機，調整對月速度、姿態調整，以接近月表。

23 時 11 分，嫦娥五號探測器成功著陸在位於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區（月球正面西經 51.92 度、北緯 43.06 度）附近的預選著陸區，並傳回著陸影像圖。隨後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定工作。此後正式開始持續約 2 天的月面工作。

採集月球樣品的工作總共分配了 19 個小時。在鑽取過程中，鑽頭在月表下 1 米遇到超預期阻力，為穩妥起見，決定不鑽到預定的 2 米深度，提前結束鑽取工作，探測器接著使用機械臂進行了表取工作。12 月 2 日 22 時，月球表面自動取樣順利完成，並已按預定形式將樣品封裝儲存在上升器攜帶的貯存裝置中。由於鑽取提前結束，最終採集的樣品質量為 1731 克，未達到預期的 2000 克。

4.3 月面起飛上升

在完成月面取樣和封裝工作後，嫦娥五號上升器 3000N 發動機於 2020 年 12 月 3 日 23 時 10 分 21 秒點火脫離著陸器起飛上升離開月面，並經歷垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段後進入環月軌道。這是中國首次實現地外天體起飛。

4.4 交會對接與樣品轉移

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，並於 6 時 12 分將樣品容器安全轉移至返回器中。交會對接是透過遠端導引和近程自主控制，軌道器返回器組合體逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕獲上升器。這是中國航天器首次實現月球軌道交會對接。

4.5 月地轉移

2020 年 12 月 12 日 9 時 54 分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體在約 6 天的環月等待後，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。在該軌道上飛行 3 圈後，於 12 月 13 日 9 時 51 分，實施第二次月地轉移入射，四臺 150 牛發動機點火，約 22 分鐘後發動機正常關機，軌道器和返回器組合體進入月地轉移軌道。

2020 年 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，完成第一次月地轉移軌道修正。12 月 16 日 9 時 15 分完成第二次月地轉移軌道修正。

4.6 再入返回

2020 年 12 月 17 日，在到達軌返分離點時，軌道器與返回器分離，軌道器完成規避機動，返回器慣性飛行。

1 時 33 分，嫦娥五號返回器在距地面高度約 120 公里處，以接近第二宇宙速度高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度後，返回器向上躍出大氣層，到達最高點後開始滑行下降。之後，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。在降至距地面約 10 公里高度時，返回器開啟降落傘完成最後減速並保持姿態穩定，隨後在預定區域平穩著陸。1 時 59 分，嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸，任務完成。

12 月 17 日 2 時 21 分許，空中搜索回收分隊發現嫦娥五號返回器。2 時 30 分許，地面搜尋分隊抵達嫦娥五號返回器著陸點。8 時 15 分，嫦娥五號返回器透過中國人民解放軍陸軍航空兵米 - 17V-5 直升機吊運至朱日和機場，吊裝前為防止返回艙剩餘燃料凍結對其採取了保溫措施。15 時 50 分，嫦娥五號返回器由中國人民解放軍空軍運 - 9 自朱日和機場起飛轉運並於 17 時 30 分抵達北京，轉運前於機場廠房排空返回器燃料。20 時左右運至航天五院（中國空間技術研究院）。當晚，航天科技集團五院為嫦娥五號返回器舉辦了 “回家” 歡迎儀式。

4.7 拓展任務

由於長征五號遙五運載火箭入軌精度高，嫦娥五號軌道器省下了 200 多公斤燃料，軌道器計劃使用餘下燃料進行一次月球重力助推前往日地拉格朗日點 L1 點。此次拓展任務目標包括：驗證地球 — 日地 L1 點轉移軌道的設計與控制技術；在日地 L1 點附近開展長期探測，驗證 L1 點環繞軌道設計與控制技術；對日地 L1 點附近光照、輻照等環境進行檢測，驗證相關分系統的適應能力；擇機開展日凌期間探測器與地面的測控通訊試驗。日地 L1 點探測試驗後，將根據軌道器狀態和約束條件等情況，酌情開展其他拓展任務。

2021 年 3 月 15 日 13 時 29 分，嫦娥五號軌道器首次穿越地球繞太陽公轉的黃道面，成功抵達日地 L1 點，成為中國首顆抵達日地 L1 點的航天器。

2021 年 9 月初，有無線電愛好者發現嫦娥五號進行了一次變軌，離開了日地 L1 點，重新返回地月系，並於 9 月 12 日飛掠月球后進入了遠地圓軌道。

2021 年 11 月 18 日，嫦娥五號再次飛掠月球。

2021 年 12 月，嫦娥五號進入離月球約 100,000 萬公里的大幅值逆行軌道（DRO）。

樣品處理及科研成果

5.1 樣品處理

為避免月球樣品受到地球大氣、水等環境汙染，中國科學院國家天文臺建立月球樣品實驗室，其具備 “地外樣品” 儲存、處理和分析能力。

中國國家航天局規劃絕大部分月球樣品將用於科學研究，這一部分樣品以位於北京的中科院國家天文臺作為主要儲存地點，並在毛澤東的故鄉湖南韶山進行異地災備。另外一部分樣品將入藏中國國家博物館，向公眾展示，進行科普教育；一部分樣品依據國際合作的公約和多邊雙邊的合作協議，與有關國家和世界的科學家共享或作為國禮相送。

2020 年 12 月 19 日，重 1731 克的嫦娥五號任務月球樣品被交接給中國科學院。中國開始首次地外天體樣品儲存、分析和研究工作，並進行月球樣品與科學資料應用研究。

2021 年 2 月 27 日，嫦娥五號帶回的部分月壤入藏中國國家博物館。

5.2 科學研究

嫦娥五號的取樣點為風暴洋東北角的玄武岩區域，在月球表面的風化作用、火山作用和區域地質背景、區域地質演化方面具有科研價值。對月球樣品的研究工作包括其結構構造、物理特性、化學成份、同位素組成、礦物特點和地質演化方面。

中國科學院規劃在月球樣品實驗室完成表取和鑽取樣品的解封、分樣和儲存，月球返回樣品經初步測試分析、描述和建庫後，根據授權進行釋出，開展長期的實驗室研究。

2021 年 12 月，中國科學院紫金山天文臺聯合南京地質古生物研究所研究嫦娥五號月球樣品時，發現嫦娥五號著陸區歷史上可能曾經發生過多次火山噴發活動。

2022 年 9 月 9 日，國家航天局、國家原子能機構聯合釋出在月球土壤樣本中發現的新礦物，並將其命名為「嫦娥石」。嫦娥石是一種磷酸鹽礦物，呈柱狀晶體，存在於月球玄武岩顆粒中，是人類在月球上發現的第六種新礦物，也讓中國成為繼美蘇後第三個在月球發現並命名新物質的國家。

國際合作

歐洲空間局透過法屬蓋亞那的庫魯站對嫦娥五號任務發射和著陸階段進行跟蹤，同時在整個任務期間作為中國地面站的備份單位隨時待命。來自庫魯站的資料將幫助北京航天飛行控制中心的任務控制小組確定航天器的健康狀況和軌道狀態。在著陸階段，歐洲空間局位於迦納利群島的馬斯帕拉馬斯站提供支援並進行跟蹤工作，該站由西班牙國家太空科技研究所（INTA）運營。

位於阿根廷的內烏肯站、奈米比亞的奈米比亞站和巴基斯坦的卡拉奇站參與了測控。

軼事

在嫦娥五號返回器著陸之後，地面搜尋隊抵達著陸點前， 紅外線攝像機直播畫面顯示，一隻小動物從嫦娥五號返回器前跑過，第一個到達現場。引發著陸場所在地生態的討論，網民對此戲稱 “嫦娥把玉兔帶回來了”。