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前言

熟悉我国探月计划的读者可能都知道，在探月阶段，我们将实施“绕、落、回”三步走战略，嫦娥五号就是前期无人探月计划的收官之作，将从月球带回月壤样品。今天，我们通过本文，来回顾我国探月计划从启动到今天，走过的不平凡的历程。

写在前面

为什么笔者要写这篇文章呢？这里先交代一下：

①今年是我国的航天大年，做一个探月小盘点。

②心系嫦娥，牵挂广寒宫。

③向科研人员致敬。

故乡的清辉明月，清澈的眼眸，横跨天宇的银河，无尽的遐想。

1.中国探月工程的总体规划

在我们静静等待嫦娥五号的返回器择机返回地球前，先看看中国探月工程的总体规划，了解这一系列探月成果的背后，各阶段的任务及完成情况。

根据国家航天局发布的信息，我国的探月工程的总体规划为：

中国探月工程规划为“绕、落、回”三期。

探月工程一期的任务是实现环绕月球探测。嫦娥一号卫星于2007年10月24日发射，在轨有效探测16个月，2009年3月成功受控撞月，实现中国自主研制的卫星进入月球轨道并获得全月图。

探月工程二期的任务是实现月面软着陆和自动巡视勘察。嫦娥二号于2010年10月1日发射，作为先导星，为二期工作进行了多项技术验证，并开展了多项拓展试验，目前已结束任务。嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射，12月14日实现落月，开展了月面巡视勘察，获得了大量工程和科学数据。嫦娥三号着陆器目前仍在工作，成为月球表面工作时间最长的人造航天器。嫦娥四号任务是嫦娥三号的备份，正组织论证，优化工程任务和科学探测目标。

探月工程三期的任务是实现无人采样返回，于2011年立项。2014年10月24日，我国实施了探月工程三期再入返回飞行试验任务，验证返回器接近第二宇宙速度再入返回地球相关关键技术。11月1日，飞行器服务舱与返回器分离，返回器顺利着陆预定区域，试验任务取得圆满成功。随后服务舱继续开展拓展试验，先后完成了远地点54万公里、近地点600公里大椭圆轨道拓展试验、环绕地月L2点探测、返回月球轨道进行嫦娥五号任务相关试验。服务舱后续还将继续开展拓展试验任务。

这里，我们更新一下嫦娥四号的内容。

嫦娥四号（Chang'e 4），是中国探月工程二期发射的月球探测器，也是人类第一个着陆月球背面的探测器；实现了人类首次月球背面软着陆和巡视勘察，意义重大，影响深远。

嫦娥四号于2018年12月8日发射升空；于2018年12月12日完成近月制动，被月球捕获；于2019年1月3日在月球背面预选区着陆；于2019年1月11日与玉兔二号完成两器互拍工作。

截至2020年10月11日，嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”月球车成功自主唤醒，迎来第23月昼工作期。嫦娥四号已在月球背面度过647个地球日。

下面是嫦娥四号飞行轨迹示意图，这里面，笔者觉得"鹊桥"中继星的作用是至关重要的。

图1 嫦娥四号飞行轨道示意图

下面，我们一起来看看探月各阶段，嫦娥姐妹们的表现。

2.嫦娥一号

嫦娥一号是中国探月计划中的第一颗绕月人造卫星，以中国古代神话人物嫦娥命名。

2007年10月24日，嫦娥一号在西昌卫星发射中心发射升空；2009年3月1日，嫦娥一号完成使命，撞击月球表面预定地点。

嫦娥一号卫星首次绕月探测的成功，树立了中国航天的第三个里程碑，突破了一大批具有自主知识产权的核心技术和关键技术，使中国成为世界上为数不多具有深空探测能力的国家。

图2 嫦娥一号探月目标

嫦娥一号的主要科学探测目标：

一是获取月球表面三维立体图像；二是分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点（例如氦3）；三是探测月壤厚度；四是探测地球至月亮的空间环境。

通过嫦娥一号CCD立体相机获取数据绘制的全月球三维数字地形图如下，其精度也是国际上最高。

图3 全月球三维数字地形图

全月球影像图，包括月球南北极。

图4 全月球影像图

至此，嫦娥一号为“绕月探测”任务画上一个圆满句号。

3.嫦娥二号

嫦娥一号绕月探测任务顺利完成后，紧接着嫦娥二号开始登场。

嫦娥二号其实是嫦娥一号的备份星，也就是说，若嫦娥一号出现了异常，任务没能按预期完成，那么嫦娥二号就上场，继续执行绕月探测任务。嫦娥一号任务顺利完成，嫦娥二号则进行部分技术改进，为探月二期工程做先导，试验部分关键技术。

大家知道，做一颗卫星或探测器，需要花很长的时间，从总体规划、系统方案设计、各子系统设计到集成、实验室测试、地面外场试验、模拟环境试验等过程，通常由各大航天研究院（所）、科研院所、企业、高校等几百上千家参研单位共同完成。所以，这颗备份星不能浪费。

嫦娥二号任务时间线：2010年10月1日，嫦娥二号在西昌卫星发射中心发射升空；2010年10月6日，嫦娥二号被月球捕获，进入环月轨道；2011年8月25日，嫦娥二号进入拉格朗日L2点环绕轨道；2012年12月15日，嫦娥二号工程宣布收官。

嫦娥二号的意义：嫦娥二号任务的圆满成功，标志着中国在深空探测领域突破并掌握了一大批新的具有自主知识产权的核心技术和关键技术，为后续实施探月二期工程的“落”和“回”以及下一步开展火星等深空探测奠定了坚实技术基础，中国从航天大国迈向航天强国的进程又跨出了重要的一步。

嫦娥二号，小行星探测的先行者。

作为探月工程二期先导星,嫦娥二号卫星试验探月工程二期部分关键技术,深化月球科学探测。研制团队历经了近三年的艰苦鏖战,无数次的计算、论证、推演……一个个技术难题终于逐一攻破。

2010年10月1日,嫦娥二号发射成功,卫星轨道设计、导航控制、微小相机视频成像等各项技术均得到验证。在半年设计寿命周期,嫦娥二号全面实现了6大工程目标和4项科学探测任务,获取了一批重要科学数据；2012年4月,嫦娥二号圆满完成在日—地拉格朗日L2点一个完整周期的飞行探测,成功绕飞L2点,进入转移轨道飞行；2012年12月13日,嫦娥二号与国际编号为4179的图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”,最近交会距离不到1公里,首次实现了我国对小行星的飞跃探测,成为我国第一个行星际探测器；而后,嫦娥二号飞至1亿公里以外,对我国深空探测能力进行了验证。

图5 嫦娥二号探月目标图6 嫦娥二号六大创新与突破

4.嫦娥三号

2008年3月,探月工程二期立项,嫦娥三号研制的大幕徐徐拉开。与嫦娥一号、二号相比,嫦娥三号探测器的技术跨度大、设计约束多,结构也更为复杂,新技术、新产品达到80%。

从绕月到落月，需要跨出重要一步。

嫦娥三号探测器，是我国第一个月球软着陆的无人登月探测器。嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器（简称着陆器）和月面巡视探测器（简称巡视器，又称玉兔号月球车，英文：Yutu，或Jade Rabbit）组成。

嫦娥三号任务时间线：嫦娥三号探测器于2013年12月2日在中国西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭送入太空；14日成功软着陆于月球雨海西北部；15日完成着陆器巡视器分离，并陆续开展了“观天、看地、测月”的科学探测和其它预定任务，取得一定成果。2013年12月16日，中国官方宣布嫦娥三号任务获得成功。2016年8月4日，“玉兔号”月球车正式退役。

图7 嫦娥三号探月目标

面对技术新、难度大、系统复杂等风险带来的巨大考验和一道道难关。2013年12月14日,嫦娥三号探测器成功落月,实现我国航天器首次地外天体软着陆,并开展巡视勘察和科学探测。嫦娥三号任务圆满成功,为我国航天事业发展树立了新的里程碑,在人类攀登科技高峰征程中刷新了中国高度。

图8 嫦娥三号着陆器与巡视器

据悉，嫦娥三号由五大系统组成：

探测器系统：探测器系统由中国航天科技集团公司负责，主要任务是研制嫦娥三号月球探测器。嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器（月球车）两器组成。着陆月面后，在测控系统和地面应用系统支持下，探测器携带的有效载荷开展科学探测。

运载火箭系统：运载火箭系统的主要任务是研制长征三号乙改进型运载火箭，在西昌卫星发射中心，将嫦娥三号探测器直接发射至近地点高度200公里，远地点高度38万公里的地月转移轨道。

发射场系统：西昌卫星发射中心承担嫦娥三号发射任务。发射场系统通过适应性改造，使其具备长征三号乙型改进型火箭的测试发射能力。

测控系统：测控系统的主要任务是运载火箭、飞行器在飞行各阶段及探测器在月面探测阶段的测控、轨道测量与确定、月亮目标定位以及落月后着陆器和巡视器的控制。

地面应用系统：地面应用系统的主要任务是：根据科学探测任务，研究提出有效载荷配置需求；制定科学探测计划和有效载荷运行计划，监视着陆器和巡视器有效载荷的运行状态，编制有效载荷控制指令和注入数据，完成有效载荷运行管理；使用北京密云50m和云南昆明40m口径两个地面站并行工作，同时接收着陆器和巡视器的下行探测数据，进行本地储存和备份；对科学探测数据进行处理、解译，组织开展科学应用研究；受探月与航天工程中心委托，管理科学探测数据并按规定分发数据产品。

从笔者的角度讲，最关注的是探测器系统和测控系统的研制。大家知道，探测器系统和测控系统，一般都有FPGA芯片及射频器件，作为一名FPGAer，自然最关注这东西了。除了系统信号处理、月地通信外，芯片本身也要考虑单粒子翻转和抗辐射问题。我们把探测器送上了月球，但人类并未上去，一切的调度控制，都在地面的测控中心完成，指令传输到月球的探测器，探测器根据指令进行相应的操作，比如太阳能帆板展开、月面巡视、自主唤醒等。

嫦娥三号，成功实现了我们中国的落月梦想。

长期以来，人们一直好奇月球上到底有没有水。对于这个问题，月基光学望远镜给出的答案是：没有。

中科院国家天文台研究员魏建彦称：“我们测量了月球地表层以上水的含量，得到了有史以来最低的一个测量值，这个测量值符合预期。”这是首次明确证明月球上没有水。

水是生命之源，月球上没有水，意味着可能并不存在外星生命。

最令笔者充满遐想的是，宇宙中是否存在一种非碳基生命，并不需要氢氧化合物就能够维持生存，而是以氮气、硫化物、碳氧化合物等维持生命，甚至借着太阳风暴进行深空穿越。

5.嫦娥四号

嫦娥四号是嫦娥三号的备份星。

在发射嫦娥四号之前，首先发射了一颗中继星——鹊桥。

鹊桥相会，胜却人间无数。

图9 嫦娥四号探月目标图10 嫦娥四号探月任务

为何要去月球背面？由于月球绕地球公转的周期与月球自转的周期相同，所以月球总有一面背对着地球，这一面称之为月球背面。因此，人类在地球始终无法看到月球的背面，虽然此前已经发射了100多个月球探测器，其中还包括65个月球着陆器，但仅有不载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗号曾看到过月球背面。中国科学院月球与深空探测总体部主任邹永廖告诉记者：“从上世纪50年代开始，发射到月球的探测器和轨道器已经有100多个。但是从着陆器探测来说，月球背面一次都没有。嫦娥四号首次在月球背面着陆和就位巡视，这是创造历史的重大成就。”

着陆器与巡视器的高清互拍照来了！

图11 玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像图12 嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号巡视器成像

所以，我们要去，就要去一个特殊的地方，看看哪里是否藏着与表面不同的秘密。

据了解，此次嫦娥四号着巡组合体着陆区，位于月球背面的艾特肯盆地。邹永廖介绍，月球分为三大地体，即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。

中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁说：“一般认为这个盆地有可能是当时宇宙大爆炸或者后来小天体撞击形成的，隐含着宇宙最早的一些信息。而且这个盆地的深度有12公里，有助于我们获取月球深部物质的信息。” 据介绍，嫦娥四号对月球背面地形地貌、矿物组分、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究，将为月球资源的开发利用提供极具价值的第一手资料。

国务院高度评价嫦娥四号：嫦娥四号任务的圆满成功，在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察，首次实现了地球与月球背面的测控通信，在月球背面留下了中国探月的第一行足迹，揭开了古老月背的神秘面纱，开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。

嫦娥四号，实现了在月球背面留下中国探月的足迹。

6.嫦娥五号

嫦娥5T:嫦娥五号的“探路先锋”

2014年11月1日清晨,为嫦娥五号探路的再入返回试验器“嫦娥5T”按既定方案平安着陆。作为探月工程三部曲中“回”的这部重头戏,在探月工程三期采样返回任务中,最终携带样品返回地球的返回器对任务的成败至关重要,我国此前尚没有地球轨道以外的航天器完成过再入大气层的返回、着陆与回收经历。

研制团队对嫦娥五号任务所需的关键技术进行了深入研究,提出了“先行开展一次飞行试验,验证高速再入返回飞行的可行性”的思路,飞行试验器孕育而生,担当起嫦娥五号“探路先锋”的重任,提前扫清技术障碍。

月球返回器的再入返回与近地航天器再入返回相比,具有再入速度高、航程长、热环境复杂等特点。研制团队突破了轨道设计和控制技术、气动技术、热防护技术、再入导航与控制技术等6项关键技术,实现了中国航天器首次以第二宇宙速度返回地球,为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。

所以说，目前返回器正在从月球奔向地球时，我们已经做了很多的前期准备，各项返回技术经过试验验证。期待返回器带着月球的土壤和岩石，顺利回到地球，降落在内蒙古的预定着陆场。

图13 嫦娥五号探月目标

11月24日4时30分，我国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，火箭飞行约2200秒后，顺利将探测器送入预定轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。

嫦娥五号任务计划实现三大工程目标：一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术，提升我国航天技术水平；二是实现我国首次地外天体自动采样返回，推动我国科学技术重大进步；三是完善探月工程体系，为我国未来开展载人登月与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础。

嫦娥五号任务的科学目标主要是：开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；对月球样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究。

图14 嫦娥五号发射瞬间

12月1日23时11分，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区，并传回着陆影像图。

图15 嫦娥五号着陆瞬间

12月1日22时57分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降，7500牛变推力发动机开机，逐步将探测器相对月球速度从约1.7公里/秒降为零。期间，探测器进行快速姿态调整，逐渐接近月表。此后进行障碍自动检测，选定着陆点后，开始避障下降和缓速垂直下降，平稳着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。着陆过程中，着陆器配置的降落相机拍摄了着陆区域影像图。

图16 嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像

嫦娥五号挖土钻取采样。

图17 采样过程图18 钻取采样

采样分为钻取采样和表面采样，完成多点采样后，将通过上升器将样品送入环月轨道上进行交会对接。

12月3日23时10分，嫦娥五号上升器3000N发动机工作约6分钟，成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

点火起飞前，着上组合体实现月面国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”。点火起飞后，上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段，进入预定环月飞行轨道。随后，上升器将与环月等待的轨返组合体交会对接，将月球样品转移到返回器，后者将等待合适的月地入射窗口，做好返回地球的准备。

旗开月表，五星闪耀，热泪盈眶。

图19 国旗展示

北京时间12月6日5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接。

图20 轨道器逐渐接近上升器

从上升器进入环月飞行轨道开始，通过远程导引和近程自主控制，轨道器和返回器组合体逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕获上升器，完成交会对接。

图21 轨道器与上升器完成交会对接

太空中轻轻的一个吻，明月可鉴。

北京时间12月6日12时35分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。

图22 轨返组合体与上升器分离后模拟图

部分月球土壤将保存在湖南，告慰毛主席；另一份保留在北京，用于科学研究。

中国探月工程总设计师吴伟仁：“毛主席曾说过‘可上九天揽月’，现在我们实现了‘九天揽月’，所以把月壤放到湖南也是对毛主席的一种告慰。”

我们期待，用自己的探测器，从月球带回月壤，而不再依靠他人。

孤独的地球，阻挡不了人类向宇宙深空进发，我们的征途是星辰大海。

此生不悔入华夏，蓝色星球必将被华夏日月朗照之。

"我没有时间考虑过去，我只考虑未来。"——钱学森

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文章资料图片来源：国家航天局、环球网、网络。

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