长城报告3000N发动机点火上升器起飞、起飞时23时10分21秒000毫秒、GNC报告上升转调姿模式、上升器太阳翼展开正常、后续工作按正常计划实施……

嫦娥五号上升器月面起飞

伴随着一连串口令下达，嫦娥五号上升器别离着陆器满载着月壤样品离开月面。3000N发动机工作约6分钟后上升器顺利进入预定环月轨道，太阳翼展开到位则标志着我国首次地外天体发射任务旗开得胜！

至此，放眼全球具备地外天体发射能力的国家只有3家，而进入21世纪以来我国是唯一实施地外天体发射任务的国家，不愧为人类新世纪探月之先锋力量。

上升器太阳翼展开到位

月球引力相当于地球的六分之一，环绕轨道速度相比地球自然也是小得多，但却因为独特的星球环境导致发射风险加剧。

风险主要来自硬件、软件、环境三个方面，例如，发射塔架支持系统欠缺导致起飞轨道设计的复杂性，在遥远的38万公里之外的地外天地起飞测控资源受限，对自我保障能力提出更高要求，以及完全迥异于大气环境的真空环境发射难题。

上升器起飞只能依赖着陆器构建的简易发射场，首先要求着陆器要降落在平整度较高的月面，为起飞创造条件。得益于机器视觉系统的成熟应用嫦娥五号着陆器最终选择了一块比较理想的月面着陆，但即便如此也必然存在一定的倾斜角度，而上升器早已为此做好了准备。

嫦娥五号着陆区域相对较为平整

在其预置发射程序中要求上升器点火起飞后不调整姿态，维持既定倾斜角度飞行一小段时间，尔后GNC控制单元发出指令要求它建立垂直飞行姿态，这一动作在机动推力器作用下实现。

到达一定高度后就像地球火箭发射有程序转弯一样，上升器也将以特定角度执行程序转弯，从而进入“入射轨道”，最终它将进入距离月面不到200公里的环月对接轨道。

上升器转调姿模式

上升器一系列动作指令皆由动力执行机构实施，该器共配有21台发动机，分别是1台3000N轨控发动机、8台120N轴向机动推力器、12台10N水平机动推力器，为了减轻起飞重量上升器与着陆器一样都使用了更加轻质的张力贮箱。

上升器

由于欠缺地面测控支持上升器的导航系统从一开始就被刻意强化，配置了一颗最强大脑“控制计算机+星敏感器”。在嫦娥五号着上组合体登月阶段，看似是体格健硕的着陆器背负着小巧玲珑的上升器，但实际上登月行动的决策指挥权并不在着陆器而在上升器。

在着陆准备段上升器的星敏感器以亮度较高恒星为基准，并结合星历测量航天器的角位置与姿态。登月过程中着陆器GNC分系统也是通过上升器控制计算机工作，这样的设计好处是既节约了着陆器重复配置控制计算机的成本，也减轻了着上组合体的重量，使得上升器控制计算机在登月与月面起飞任务中都可以发挥作用。

着上组合体分离

地面飞控中心之所以能够在38万公里之外近实时监视飞行轨迹，得益于上升器配置的大功率测控天线，地球多部深空天线都可以与之建立数据传输通道。

月球真空环境意味着上升器3000N发动机点火难以看到类似地球火箭发射的尾焰，但这并不意味着它不需要导流措施，在真空环境下点火发动机会喷射羽流。所谓羽流是指发动机在真空环境下点火喷管出口处超声速气流产生膨胀，进而形成燃气羽流现象。

羽流对于地外天体起飞任务而言存在着巨大的任务风险，首先会诱发冲击震荡与反噬气流对上升器姿态稳定性产生重大影响，同时还会产生热效应反噬，对上升器载荷安全产生不利影响。

上升器羽流导流综合验证试验

为了解决羽流导流问题早在2015年航天科技六院101所就专门改造了一座羽流试验台，并于当年成功实施基于液氢热沉技术的全尺寸羽流导流综合验证试验，目前掌握这一技术的国家只有两个，一个是我们，另一个在大洋彼岸。

上升器羽流导流的硬件主要通过布置在着陆器上方中心位置的导流机构，同时还需要上升器有针对性的进行防热处理。

着陆器导流机构

缺乏地面测控支持的上升器早在着陆器登月那一刻开始就已经在进行起飞任务准备，先是地面飞控中心根据获得的上升器姿态位置信息提前解算起飞时间、轨道参数等信息，并先行将数据打包通过深空测控天线传输至上升器控制单元中。

由于月面起飞对接窗口一个月只有一次，加上嫦娥五号着陆器与上升器组合体皆没有配置核热源（难以度过月夜），因此必须把握住这仅此唯一的发射窗口。为此上升器也打破了我国火箭发射由零号指挥员下达点火指令的操作习惯，而是事先将点火指令信息注入控制单元，待发射时间一到上升器自行点火，这样安排也规避了38万公里通信时延问题，进一步提高月面发射入轨精度。

上升器自主点火起飞

自11月24日嫦娥五号出征太空以来已有十天时间，11大阶段任务已完成包括发射入轨、地月转移飞行、近月制动、环月飞行、着上组合体登月、月面采样、月面上升共7大阶段性任务，可谓是行程过半，它所走的每一步几乎都是在创造历史。

例如，史上最大规模入轨无人深空探测器、三次登月100%全胜战绩、居世界领先地位的无人采样系统，集多种荣耀于一身，而接下来它将创造更加辉煌的历史：人类首次深空轨道无人自动交会对接。

嫦娥五号器箭分离试验

纵观人类航天史仅在阿波罗载人登月工程中实施过月球轨道交会对接任务，然而那也是宇航员基于人眼视觉的操控，自动化水平较低，嫦娥五号轨返组合体与上升器即将实施的则是有史以来第一次全自动交会对接。

传统近地轨道飞船对接有很多支持系统，例如，地面测控网、导航卫星、微波雷达、激光导引等手段，而月球轨道由于距离地球过于遥远全球卫星导航系统难以提供支持，只能依赖微波雷达远程导引与激光雷达近程导引。

目前嫦娥五号轨返组合体按照既定任务流程，已经完成四次调向机动与分离支撑舱动作。在此次交会对接任务中轨返组合体将作为追踪器，上升器则是目标飞行器，前者将主动降轨前出追踪上升器。

轨返组合体分离支撑舱

在实施对接任务前地球的喀什、佳木斯、萨帕拉三座深空测控站将对两器空间位置进行精确测定轨，尔后由深空测控天线向两器发送任务指令。

按照既定任务规划，两器将使用交会对接微波雷达进行四次远程导引，该雷达可在100公里范围内发挥导引作用。当两器距离迫近至250米范围内时，新一代空间交会对接激光敏感器将发挥精确导引作用，引导两器对接。

两器微波自主导引

追踪器轨返组合体质量数倍于上升器目标飞行器，如果沿用传统对接机构与程序会把上升器撞飞，同时样品容器的在轨转移又要求两器之间实现毫米级对接精度。

嫦娥五号近程自主交会对接地面试验

为满足上述两大任务要求，航天科技八院研制出了世界首创的抱爪式弱撞击对接机构，具体策略是当两器迫近至极近距离时，轨返组合体率先伸出抱爪机构将上升器抓住“拥入怀中”，进而锁定完成对接，这样一来目标飞行器就不会被撞飞，也能保证高精度对接满足样品容器转移需求。

抱爪式对接机构

两器近程导引对接时间窗口很小，整个过程只有21秒时间，既1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧一气呵成，全程自动控制，就连35项故障预案也都是自动控制，由此可见其世界级难度。

那么完成对接形成组合体运行后，两器间样品容器又是如何转移呢？

连杆棘爪式样品转移装置

航天科技八院在抱爪式对接机构基础上配套研制了连杆棘爪式样品转移装置，在样品容器两侧各配置一套倒三角形棘爪，通过四次伸缩逐渐将月面封装的月壤样品容器移动至返回器内，它的原理很像包装箱的扎带，只能向前不能后退。为了确保产品的高可靠性研制团队前后进行了一千余次转移试验。

上升器/对接机构与轨返组合体分离

完成样品转移后返回器舱盖将合拢锁紧，然后上升器连带轨返组合体的对接机构一起分离，最后轨道器单独承载返回器运行，待112小时最优能量月地返回轨道窗口到来后它将启动3000N轨控发动机以近第二宇宙速度返回地球。

不知不觉嫦娥探月工程发展至今已有十六年时间，对比阿波罗载人登月工程仅存续十一年时间，两大工程可持续发展的后劲孰优孰劣一目了然，嫦娥五号虽然是“绕、落、回”三期工程的收官之作，但这并不是终点而是全新起点。

上升器

因为“绕、落、回”三步走只是嫦娥探月的第一阶段工程，除此之外还有“探、登、驻”与“勘、建、用”两大任务阶段，其中“探、登、驻”是第二阶段任务目标，其具体意涵就是要对月球全球进行更加详细的探查，进而实现载人月球探测，尔后打造以我为主的国际月面科研站，这已经是放眼未来十至二十年的长远规划，“勘、建、用”则是更加久远的未来。

服务载人登月的新一代载人飞船

“子子孙孙无穷匮也，而山不加增，何苦而不平？”，两千三百多年前我们就已经孕育愚公移山精神，并将这种精神融入民族血脉，一座长城我们修了两千多年，一座京杭大运河两千多年后我们依旧受益，而探索浩瀚星空这种跨越千年万年的事业对于人类唯一延续五千年至今的华夏文明而言又是舍我其谁！

嫦娥五号月球起飞成功！接下来每一步都是历史，38万公里穿针引线