長城報告3000N發動機點火上升器起飛、起飛時23時10分21秒000毫秒、GNC報告上升轉調姿模式、上升器太陽翼展開正常、後續工作按正常計劃實施……

嫦娥五號上升器月面起飛

伴隨着一連串口令下達，嫦娥五號上升器別離着陸器滿載着月壤樣品離開月面。3000N發動機工作約6分鐘後上升器順利進入預定環月軌道，太陽翼展開到位則標誌着我國首次地外天體發射任務旗開得勝！

至此，放眼全球具備地外天體發射能力的國家只有3家，而進入21世紀以來我國是唯一實施地外天體發射任務的國家，不愧爲人類新世紀探月之先鋒力量。

上升器太陽翼展開到位

月球引力相當於地球的六分之一，環繞軌道速度相比地球自然也是小得多，但卻因爲獨特的星球環境導致發射風險加劇。

風險主要來自硬件、軟件、環境三個方面，例如，發射塔架支持系統欠缺導致起飛軌道設計的複雜性，在遙遠的38萬公里之外的地外天地起飛測控資源受限，對自我保障能力提出更高要求，以及完全迥異於大氣環境的真空環境發射難題。

上升器起飛只能依賴着陸器構建的簡易發射場，首先要求着陸器要降落在平整度較高的月面，爲起飛創造條件。得益於機器視覺系統的成熟應用嫦娥五號着陸器最終選擇了一塊比較理想的月面着陸，但即便如此也必然存在一定的傾斜角度，而上升器早已爲此做好了準備。

嫦娥五號着陸區域相對較爲平整

在其預置發射程序中要求上升器點火起飛後不調整姿態，維持既定傾斜角度飛行一小段時間，爾後GNC控制單元發出指令要求它建立垂直飛行姿態，這一動作在機動推力器作用下實現。

到達一定高度後就像地球火箭發射有程序轉彎一樣，上升器也將以特定角度執行程序轉彎，從而進入“入射軌道”，最終它將進入距離月面不到200公里的環月對接軌道。

上升器轉調姿模式

上升器一系列動作指令皆由動力執行機構實施，該器共配有9臺發動機，分別是3000N軌控發動機、4臺120N軸向機動推力器、4臺10N水平機動推力器，爲了減輕起飛重量上升器與着陸器一樣都使用了更加輕質的張力貯箱。

上升器

由於欠缺地面測控支持上升器的導航系統從一開始就被刻意強化，配置了一顆最強大腦“控制計算機+星敏感器”。在嫦娥五號着上組合體登月階段，看似是體格健碩的着陸器揹負着小巧玲瓏的上升器，但實際上登月行動的決策指揮權並不在着陸器而在上升器。

在着陸準備段上升器的星敏感器以亮度較高恆星爲基準，並結合星曆測量航天器的角位置與姿態。登月過程中着陸器GNC分系統也是通過上升器控制計算機工作，這樣的設計好處是既節約了着陸器重複配置控制計算機的成本，也減輕了着上組合體的重量，使得上升器控制計算機在登月與月面起飛任務中都可以發揮作用。

着上組合體分離

地面飛控中心之所以能夠在38萬公里之外近實時監視飛行軌跡，得益於上升器配置的大功率測控天線，地球多部深空天線都可以與之建立數據傳輸通道。

月球真空環境意味着上升器3000N發動機點火難以看到類似地球火箭發射的尾焰，但這並不意味着它不需要導流措施，在真空環境下點火發動機會噴射羽流。所謂羽流是指發動機在真空環境下點火噴管出口處超聲速氣流產生膨脹，進而形成燃氣羽流現象。

羽流對於地外天體起飛任務而言存在着巨大的任務風險，首先會誘發衝擊震盪與反噬氣流對上升器姿態穩定性產生重大影響，同時還會產生熱效應反噬，對上升器載荷安全產生不利影響。

上升器羽流導流綜合驗證試驗

爲了解決羽流導流問題早在2015年航天科技六院101所就專門改造了一座羽流試驗檯，並於當年成功實施基於液氫熱沉技術的全尺寸羽流導流綜合驗證試驗，目前掌握這一技術的國家只有兩個，一個是我們，另一個在大洋彼岸。

上升器羽流導流的硬件主要通過佈置在着陸器上方中心位置的導流機構，同時還需要上升器有針對性的進行防熱處理。

着陸器導流機構

缺乏地面測控支持的上升器早在着陸器登月那一刻開始就已經在進行起飛任務準備，先是地面飛控中心根據獲得的上升器姿態位置信息提前解算起飛時間、軌道參數等信息，並先行將數據打包通過深空測控天線傳輸至上升器控制單元中。

由於月面起飛對接窗口一個月只有一次，加上嫦娥五號着陸器與上升器組合體皆沒有配置核熱源（難以度過月夜），因此必須把握住這僅此唯一的發射窗口。爲此上升器也打破了我國火箭發射由零號指揮員下達點火指令的操作習慣，而是事先將點火指令信息注入控制單元，待發射時間一到上升器自行點火，這樣安排也規避了38萬公里通信時延問題，進一步提高月面發射入軌精度。

上升器自主點火起飛

自11月24日嫦娥五號出征太空以來已有十天時間，11大階段任務已完成包括髮射入軌、地月轉移飛行、近月制動、環月飛行、着上組合體登月、月面採樣、月面上升共7大階段性任務，可謂是行程過半，它所走的每一步幾乎都是在創造歷史。

例如，史上最大規模入軌無人深空探測器、三次登月100%全勝戰績、居世界領先地位的無人採樣系統，集多種榮耀於一身，而接下來它將創造更加輝煌的歷史：人類首次深空軌道無人自動交會對接。

嫦娥五號器箭分離試驗

縱觀人類航天史僅在阿波羅載人登月工程中實施過月球軌道交會對接任務，然而那也是宇航員基於人眼視覺的操控，自動化水平較低，嫦娥五號軌返組合體與上升器即將實施的則是有史以來第一次全自動交會對接。

傳統近地軌道飛船對接有很多支持系統，例如，地面測控網、導航衛星、微波雷達、激光導引等手段，而月球軌道由於距離地球過於遙遠全球衛星導航系統難以提供支持，只能依賴微波雷達遠程導引與激光雷達近程導引。

目前嫦娥五號軌返組合體按照既定任務流程，已經完成四次調向機動與分離支撐艙動作。在此次交會對接任務中軌返組合體將作爲追蹤器，上升器則是目標飛行器，前者將主動降軌前出追蹤上升器。

軌返組合體分離支撐艙

在實施對接任務前地球的喀什、佳木斯、薩帕拉三座深空測控站將對兩器空間位置進行精確測定軌，爾後由深空測控天線向兩器發送任務指令。

按照既定任務規劃，兩器將使用交會對接微波雷達進行四次遠程導引，該雷達可在100公里範圍內發揮導引作用。當兩器距離迫近至250米範圍內時，新一代空間交會對接激光敏感器將發揮精確導引作用，引導兩器對接。

兩器微波自主導引

追蹤器軌返組合體質量數倍於上升器目標飛行器，如果沿用傳統對接機構與程序會把上升器撞飛，同時樣品容器的在軌轉移又要求兩器之間實現毫米級對接精度。

嫦娥五號近程自主交會對接地面試驗

爲滿足上述兩大任務要求，航天科技八院研製出了世界首創的抱爪式弱撞擊對接機構，具體策略是當兩器迫近至極近距離時，軌返組合體率先伸出抱爪機構將上升器抓住“擁入懷中”，進而鎖定完成對接，這樣一來目標飛行器就不會被撞飛，也能保證高精度對接滿足樣品容器轉移需求。

抱爪式對接機構

兩器近程導引對接時間窗口很小，整個過程只有21秒時間，既1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊一氣呵成，全程自動控制，就連35項故障預案也都是自動控制，由此可見其世界級難度。

那麼完成對接形成組合體運行後，兩器間樣品容器又是如何轉移呢？

連桿棘爪式樣品轉移裝置

航天科技八院在抱爪式對接機構基礎上配套研製了連桿棘爪式樣品轉移裝置，在樣品容器兩側各配置一套倒三角形棘爪，通過四次伸縮逐漸將月面封裝的月壤樣品容器移動至返回器內，它的原理很像包裝箱的紮帶，只能向前不能後退。爲了確保產品的高可靠性研製團隊前後進行了一千餘次轉移試驗。

上升器/對接機構與軌返組合體分離

完成樣品轉移後返回器艙蓋將合攏鎖緊，然後上升器連帶軌返組合體的對接機構一起分離，最後軌道器單獨承載返回器運行，待112小時最優能量月地返回軌道窗口到來後它將啓動3000N軌控發動機以近第二宇宙速度返回地球。

不知不覺嫦娥探月工程發展至今已有十六年時間，對比阿波羅載人登月工程僅存續十一年時間，兩大工程可持續發展的後勁孰優孰劣一目瞭然，嫦娥五號雖然是“繞、落、回”三期工程的收官之作，但這並不是終點而是全新起點。

上升器

因爲“繞、落、回”三步走只是嫦娥探月的第一階段工程，除此之外還有“探、登、駐”與“勘、建、用”兩大任務階段，其中“探、登、駐”是第二階段任務目標，其具體意涵就是要對月球全球進行更加詳細的探查，進而實現載人月球探測，爾後打造以我爲主的國際月面科研站，這已經是放眼未來十至二十年的長遠規劃，“勘、建、用”則是更加久遠的未來。

服務載人登月的新一代載人飛船

“子子孫孫無窮匱也，而山不加增，何苦而不平？”，兩千三百多年前我們就已經孕育愚公移山精神，並將這種精神融入民族血脈，一座長城我們修了兩千多年，一座京杭大運河兩千多年後我們依舊受益，而探索浩瀚星空這種跨越千年萬年的事業對於人類唯一延續五千年至今的華夏文明而言又是捨我其誰！

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