我國(guó)首艘月球采樣飛船嫦娥五號(hào)在經(jīng)歷火箭發(fā)射、星箭分離、地月轉(zhuǎn)移飛行、兩次中途修正、兩次近月制動(dòng)、著上組合體與軌返組合體分離后順利完成11大任務(wù)階段中的前三大階段。本月1日23時(shí)11分，在7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)托舉下著陸器與上升器組合體成功登陸月球正面風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近預(yù)設(shè)著陸區(qū)（月球西經(jīng)51.8度，北緯43.1度），標(biāo)志著嫦娥五號(hào)距離圓滿完成采樣返回任務(wù)又向前邁進(jìn)了一大步。

嫦娥五號(hào)著陸器與上升器組合體成功登月

算上嫦娥三號(hào)、四號(hào)，這已經(jīng)是中國(guó)航天連續(xù)第三次成功實(shí)施月面軟著陸任務(wù)，登月成功率100%，高居世界榜首。作為探月俱樂(lè)部的后來(lái)者為什么我們可以獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷呢？帶著這個(gè)問(wèn)題來(lái)感受一下嫦娥五號(hào)的落月全過(guò)程。

嫦娥五號(hào)著上組合體動(dòng)力下降段是從距離月面15公里高度開(kāi)始，劃分為主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段共6個(gè)階段。

15公里動(dòng)力下降各階段示意圖

主減速段的任務(wù)是依托7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速制動(dòng)，使得探測(cè)器的速度、高度降至預(yù)設(shè)值，此階段發(fā)動(dòng)機(jī)將以最大推力運(yùn)行。

月面軟著陸航線是彈道式軌跡，而要想成功抵達(dá)地外天體預(yù)設(shè)著陸區(qū)探測(cè)器需要知曉位置、速度、姿態(tài)角速度等信息，從而由計(jì)算機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)注入正確指令。

主減速段主要通過(guò)慣性導(dǎo)航測(cè)量單元獲取速度、高度、距離等信息，慣導(dǎo)優(yōu)勢(shì)是可靠性高，不易受外界因素干擾，但缺點(diǎn)也很明顯，隨著時(shí)間推移累積誤差也會(huì)增加，此時(shí)就需要引入測(cè)速測(cè)距修正。

主減速段變推發(fā)動(dòng)機(jī)滿功率運(yùn)行制動(dòng)減速

為此，嫦娥五號(hào)著上組合體與它的前輩嫦娥三號(hào)、四號(hào)一樣配置了一系列敏感器，有激光測(cè)距敏感器、微波測(cè)距敏感器、微波測(cè)速敏感器，與前輩不同的是嫦娥五號(hào)新增設(shè)了激光測(cè)速敏感器。

激光測(cè)距測(cè)速

激光測(cè)速敏感器應(yīng)用了上海光機(jī)所設(shè)計(jì)的首個(gè)在著陸器上使用的窄線寬光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了千赫茲量級(jí)、低強(qiáng)度噪聲的激光輸出，原理是通過(guò)探測(cè)激光回波的頻率信息來(lái)測(cè)量著陸器相對(duì)月面的速度，實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用系統(tǒng)從能量探測(cè)模式向頻率探測(cè)模式的開(kāi)拓。

激光測(cè)速敏感器激光器

這樣一來(lái)就形成了更加完善的空間信息修正體系，激光測(cè)距測(cè)速與微波測(cè)距測(cè)速互為備份，敏感器都將在主減速段開(kāi)機(jī)，不過(guò)具體何時(shí)用于輔助慣導(dǎo)修正數(shù)據(jù)則各有安排。

激光測(cè)速測(cè)距敏感器根據(jù)以往任務(wù)經(jīng)驗(yàn)判斷，通常在距離月面12公里高度引入修正，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)加權(quán)輔助慣性導(dǎo)航測(cè)量單元控制飛行彈道。

整個(gè)主減速段著上組合體基本呈水平姿態(tài)，彈道也是平緩下降的著陸軌跡。當(dāng)進(jìn)入快速調(diào)整段時(shí)探測(cè)器將調(diào)整姿態(tài)使之接近垂直，此時(shí)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸降至小推力工況，探測(cè)器下落速度也將略有變慢。

7500N變推發(fā)動(dòng)機(jī)助力中國(guó)航天登月三連勝

經(jīng)過(guò)短暫的快速調(diào)整段后著上組合體進(jìn)入接近段，此時(shí)距離月面大致是兩三千米高度，在這一階段探測(cè)器將利用光學(xué)成像進(jìn)行“粗避障”，針對(duì)航線下明顯的障礙進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避，同時(shí)引入微波測(cè)距測(cè)速輔助導(dǎo)航，由此形成了慣導(dǎo)+激光測(cè)距測(cè)速+微波測(cè)距測(cè)速的多波束導(dǎo)航系統(tǒng)，不論是精確度還是冗余可靠性都達(dá)到了一個(gè)極大值，此時(shí)著上組合體姿態(tài)也是接近垂直。

接近段粗避障（嫦娥探月歷史資料）

當(dāng)著上組合體降至110～90米高度區(qū)間時(shí)將進(jìn)入懸停段，此時(shí)具有世界領(lǐng)先水平的激光三維成像敏感器發(fā)揮作用，它將在不到3秒鐘時(shí)間內(nèi)采用多波束并掃方式完成對(duì)著陸區(qū)的高精度三維成像。

三維分辨率達(dá)到0.2米，距離精度優(yōu)于0.15米，能在0.25秒也就是人眼眨眼時(shí)間內(nèi)對(duì)50米×50米區(qū)域成像。

激光三維成像與激光測(cè)距協(xié)同運(yùn)作

激光三維成像不同于傳統(tǒng)二維成像，每一個(gè)像素點(diǎn)都帶有斜距信息，能夠更加精確且立體的感知著陸區(qū)障礙，并對(duì)成像區(qū)域網(wǎng)格化，進(jìn)而以成像區(qū)域中心為起點(diǎn)進(jìn)行螺旋前進(jìn)搜索，直至確定安全著陸點(diǎn)。如果沒(méi)有理想著陸點(diǎn)，也可以根據(jù)坡度與安全半徑加權(quán)篩選出最優(yōu)著陸點(diǎn)。

激光成像網(wǎng)格化快速選定著陸點(diǎn)

中科院上海技術(shù)物理研究所研制的激光三維成像敏感器是嫦娥系列著陸器連續(xù)三次成功登月的關(guān)鍵所在，它不僅是人類首次將機(jī)器視覺(jué)理念用于地外天體登陸任務(wù)，還實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率、窄脈沖寬度、高峰值功率的全光纖激光器在國(guó)際上的率先空間應(yīng)用。

嫦娥五號(hào)激光三維成像敏感器

NASA早在本世紀(jì)第一個(gè)十年就提出研發(fā)基于激光成像技術(shù)的地外天體登陸ALHAT計(jì)劃，但時(shí)至今日包括歷次火星登陸任務(wù)在內(nèi)都沒(méi)能應(yīng)用，旅居者號(hào)、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)三輛火星車干脆直接使用氣囊著陸方式，避開(kāi)了著陸末段的精避障環(huán)節(jié)，但這種方式對(duì)探測(cè)器登陸重量是一個(gè)極大的制約。

氣囊著陸只適合小型載荷

目前在火星運(yùn)行的好奇號(hào)與正在奔火途中的毅力號(hào)火星車最終都因?yàn)橘|(zhì)量較大而放棄了氣囊著陸方式，但它們使用的也都是基于圖像匹配與微波測(cè)距測(cè)速技術(shù)，是落后激光三維成像整整一代的相對(duì)導(dǎo)航手段。

有意思的是，當(dāng)印度月船-2號(hào)著陸月球失敗后，NASA負(fù)責(zé)人也在告誡重返月球任務(wù)團(tuán)隊(duì)要認(rèn)識(shí)到登月技術(shù)的復(fù)雜性。

散落月面的月船-2號(hào)殘骸

雖然后者有比較豐富的火星登陸經(jīng)驗(yàn)，但在月球登陸領(lǐng)域已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的空白，早期阿波羅飛船使用的登月技術(shù)自動(dòng)化水平非常低，月面著陸區(qū)與著陸點(diǎn)的選擇主要靠手動(dòng)，老一輩專家不是老去就是作古，連登月的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)不復(fù)存在。也難怪俄羅斯航天專家伊戈?duì)枴だ鞣蚋袊@道，在擁有開(kāi)發(fā)月球計(jì)劃的國(guó)家中，中國(guó)是領(lǐng)先者。

書(shū)歸正題，經(jīng)過(guò)數(shù)秒懸停段后嫦娥五號(hào)著上組合體將進(jìn)入精確避障段，為節(jié)省燃料在這一階段將同步進(jìn)行精避障與下降機(jī)動(dòng)，它將根據(jù)激光三維成像確定的著陸點(diǎn)在水平推力器與7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)共同作用下以垂直姿態(tài)進(jìn)行斜向機(jī)動(dòng)飛行。

著上組合體緩速下降

當(dāng)探測(cè)器由100米下降至著陸點(diǎn)上方30米處時(shí)進(jìn)入緩速下降段，此時(shí)由于受發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴羽流影響將不再引入激光測(cè)距測(cè)速修正與微波測(cè)距測(cè)速修正，導(dǎo)航將主要依托慣性測(cè)量單元。

在變推力發(fā)動(dòng)機(jī)作用下探測(cè)器下降速度為2米/秒，當(dāng)下降至距離月面2米高度時(shí)伽馬關(guān)機(jī)敏感器將收到信號(hào)進(jìn)而關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，最后的著陸能量由四條緩沖著陸支撐腿吸收。

嫦娥五號(hào)降落相機(jī)拍攝著陸畫(huà)面

在整個(gè)降落過(guò)程中降落相機(jī)、金牌數(shù)傳子系統(tǒng)也將全程開(kāi)機(jī)，后者將把著陸器登月全過(guò)程產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳地球。

月面軟著陸從來(lái)不是一件易事，縱觀世界航天史登月任務(wù)歷來(lái)是成敗各半，成功率長(zhǎng)期在51%的低位運(yùn)行。

以蘇聯(lián)為例，該國(guó)曾實(shí)施過(guò)3次成功的月面采樣任務(wù)，但鮮為人知的是它還有8次失敗的月面采樣任務(wù)，在這總計(jì)11次的采樣返回任務(wù)里，成功了就冠以正式任務(wù)代號(hào)“月球”，失敗了則低調(diào)處理或者被安排進(jìn)“宇宙”系列任務(wù)中。

蘇聯(lián)首次成功采樣前失敗了5次

以2000年為分水嶺，人類登月事業(yè)原本在嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)兩次任務(wù)加持下一直保持著100%全勝戰(zhàn)績(jī)，但2019年以色列創(chuàng)世紀(jì)號(hào)、印度月船-2號(hào)兩次登月任務(wù)相繼失敗，使得成功率斷崖式滑坡至50%，而此次嫦娥五號(hào)的圓滿登月又使得這一百分比再度回升至60%。

在筆者看來(lái)嫦娥系列探測(cè)器之所以能夠保持100%登月成功率離不開(kāi)五大保障，分別是，強(qiáng)大的綜合國(guó)力保障、全球最齊全工業(yè)門(mén)類保障、科學(xué)發(fā)展規(guī)劃保障、勇于創(chuàng)新的開(kāi)拓精神保障、系統(tǒng)完善的地面試驗(yàn)保障。

與嫦娥5號(hào)同在月面工作的嫦娥4號(hào)著陸器

正因?yàn)橛辛藦?qiáng)大國(guó)力我們才能有充沛的財(cái)力、人力、物力等資源投入到宇航事業(yè)中，嫦娥探月作為與載人航天齊名的戰(zhàn)略級(jí)航天工程從一開(kāi)始就確立了科學(xué)的繞、落、回三步走發(fā)展戰(zhàn)略。

在此框架下連續(xù)取得了嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、五號(hào)T1、四號(hào)5次任務(wù)五戰(zhàn)五捷的驕人戰(zhàn)績(jī)。環(huán)月探測(cè)、地月直接轉(zhuǎn)移飛行、月面軟著陸、月地軌道再入返回、月背探測(cè)，五次任務(wù)成果銜接有序，這才迎來(lái)了嫦娥五號(hào)登月任務(wù)三連冠的高光時(shí)刻。

嫦娥三號(hào)部署月面7年，至今仍有載荷處于工作狀態(tài)

全球最齊全工業(yè)門(mén)類能夠孵化琳瑯滿目的貨架技術(shù)與產(chǎn)品，從而確保我們可以走上獨(dú)立自主的發(fā)展道路，自錢學(xué)森時(shí)代航天人就確立了絕不把問(wèn)題帶上天的嚴(yán)慎細(xì)實(shí)作風(fēng)，又促使我們打造了極盡完善的地面試驗(yàn)系統(tǒng)。

比如，為了拿下人類首次深空軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)，我們建設(shè)了全球最大規(guī)模的對(duì)接試驗(yàn)設(shè)施，為了掌握地外天體軟著陸技術(shù)，又建設(shè)了最完善的塔架試驗(yàn)設(shè)施，諸如此類案例不勝枚舉。

嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)地面試驗(yàn)

勇于創(chuàng)新更是嫦娥探月工程的內(nèi)核之一，嫦娥五號(hào)作為已經(jīng)封存三年的探測(cè)器放在今時(shí)今日依舊應(yīng)用了一系列具有世界領(lǐng)先水平的尖端技術(shù)產(chǎn)品。探測(cè)器系統(tǒng)總師楊孟飛對(duì)此早有論述，他說(shuō)，我們要對(duì)得起國(guó)家的重托，要站在人類航天文明的基礎(chǔ)上來(lái)開(kāi)展工作，要體現(xiàn)技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間的先進(jìn)性。

縱觀嫦娥探月工程三次月面軟著陸，任務(wù)復(fù)雜度最高的還不是嫦娥五號(hào)，而是嫦娥四號(hào)的月球背面軟著陸任務(wù)。

鵲橋中繼衛(wèi)星

月背登陸首先要解決測(cè)控通信難題，為此專門(mén)研發(fā)了鵲橋數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，而為了部署這顆衛(wèi)星不僅設(shè)計(jì)了一條復(fù)雜的月球借力軌道，嫦娥五號(hào)T1也曾專門(mén)為鵲橋衛(wèi)星探路地月拉格朗日L2點(diǎn)halo使命軌道。

攻克月背測(cè)控通信難題后，嫦娥四號(hào)登陸的月背南極艾特肯盆地馮卡門(mén)撞擊坑著陸點(diǎn)有著相對(duì)高度達(dá)萬(wàn)米的落差，因此嫦娥四號(hào)不能像嫦娥三號(hào)與嫦娥五號(hào)那樣采用平緩的著陸彈道，而是以接近垂直的彈道下落。

嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)萬(wàn)米落差

嫦娥三號(hào)是在距離月面3公里處才開(kāi)始以垂直姿態(tài)下落，而嫦娥四號(hào)要在距離還有8公里的高度就以垂直姿態(tài)下落，為了滿足高高度垂直降落需求，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)又進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化了比沖性能。彈道的變化也促使降落導(dǎo)航算法的改變與優(yōu)化，加上中繼通信面臨著幾十秒量級(jí)的延時(shí)，對(duì)嫦娥四號(hào)自主管理能力提出了更高要求。

根據(jù)嫦娥四號(hào)回傳圖像分析，著陸點(diǎn)周圍分布著大大小小的數(shù)個(gè)月球坑，證明探測(cè)器自主避障系統(tǒng)不僅闖過(guò)了萬(wàn)米高差的復(fù)雜月貌難關(guān)，更克服了局部復(fù)雜月面著陸難關(guān)，標(biāo)志著我們正在形成全月面到達(dá)能力。

嫦娥四號(hào)搭載的玉兔二號(hào)月球車

嫦娥五號(hào)著上組合體與嫦娥四號(hào)相比，雖然登月任務(wù)復(fù)雜度大為降低，但探測(cè)器的設(shè)計(jì)與制造難度卻陡然增高，具體而言就是減重難題。

著陸器需要背負(fù)比玉兔二號(hào)月球車重?cái)?shù)倍的月面起飛上升器，加上一百多公斤重的巖心鉆探機(jī)與表面采樣機(jī)械臂，如此一來(lái)留給其他系統(tǒng)的重量空間則大為減少。

嫦娥五號(hào)發(fā)射質(zhì)量8.25噸

例如，前文提到的三維成像激光器就需要減重20%，著陸器4臺(tái)金屬膜片貯箱也被更輕質(zhì)的4臺(tái)表面張力貯箱替代，進(jìn)一步減重約26公斤，幾乎所有分系統(tǒng)都進(jìn)行了不同程度的減重瘦身，甚至去除了一些冗余備份設(shè)備。

嫦娥五號(hào)著上組合體的控制系統(tǒng)并不在著陸器內(nèi)，而是被整合進(jìn)上升器內(nèi)，后者在執(zhí)行月面起飛任務(wù)時(shí)同樣需要一套控制系統(tǒng)，與其設(shè)計(jì)兩套相互獨(dú)立的控制系統(tǒng)不如兩器共用一套，也能滿足減重需求。

嫦娥五號(hào)上升器熱試驗(yàn)

嫦娥五號(hào)受工程總體約束雖然有非常嚴(yán)苛的減重要求，但卻是“量減而質(zhì)不減”，基于月面采樣、月面起飛兩大任務(wù)，要求著陸點(diǎn)有足夠的平整度，因此在一系列減重背景下我們?nèi)匀唤o著陸器增設(shè)了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的激光測(cè)速敏感器，可以為著陸行動(dòng)提供更加精確的導(dǎo)航指引。

激光測(cè)速敏感器

中科院上海技物所抓總研制的激光測(cè)速器實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次在月球探測(cè)器軟著陸階段使用激光多普勒測(cè)速技術(shù)進(jìn)行三個(gè)正交方向速度測(cè)量，而這又是一個(gè)創(chuàng)舉。

至此嫦娥五號(hào)勝利完成了11個(gè)重大任務(wù)階段中的前4個(gè)，接下來(lái)就是為期48小時(shí)的月面采樣工作，而這又將是另外一系列具有世界領(lǐng)先水平裝備的全面考驗(yàn)，巔峰高地將在下一篇文章中重點(diǎn)分析。

月面采樣

當(dāng)嫦五返回器歸來(lái)之日，整個(gè)世界都將為之傾倒，而這也只是我們書(shū)寫(xiě)太空歷史的一個(gè)開(kāi)篇序幕。若干年后我們也將對(duì)后輩講述這段屬于中國(guó)人的輝煌航天史，能成為見(jiàn)證者這已經(jīng)是莫大的榮光。