嫦娥五号探测器详细介绍

嫦娥五号（Chang'e 5），即嫦娥五号探测器，是由中国空间技术研究院研制的中国首个实施无人月面取样返回的航天器，是完成中国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略最后一步的关键任务。

中国探月工程三步走

嫦娥五号任务是中国在2020年前实施的系统最复杂、技术难度最大的航天工程，由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成，计划带回2千克月球样品。[2]

嫦娥五号于北京时间2020年11月24日4时30分12秒（2020年11月23日20时30分12秒，UTC）由长征五号运载火箭于海南文昌航天发射场成功发射。嫦娥五号即将实现探月工程第三步战略目标，为后续月球及行星探测等任务奠定人才、技术、科学、工程基础。[3]

正在进行热试验的嫦娥五号

项目背景

研制团队

嫦娥五号探测器由中国空间技术研究院抓总研制。

探月工程三期

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务。三期工程将实现月面自动采样返回，并开展月球样品地面分析研究。由嫦娥五号、六号任务组成。

原计划2017年前后，完成探测器系统研制，用新研制的长征五号运载火箭，在新建的海南文昌发射场实施发射。

再入返回飞行试验器

2014年11月1日6点42分，嫦娥五号再入返回飞行试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，中国探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功。

北京空间机电研究所首先优化了降落伞的结构设计，使得下降过程中空气对伞衣的冲击力更加均匀；另外，还采用先进材料制造技术，实现了与伞衣密切连接的伞绳在承受力度不变的前提下减重20%以上。回收控制装置的集成化也是嫦娥五号飞行试验器回收系统中的一个减重难点。设计人员利用三维虚拟模装技术优化了回收控制器的布局，最终将回收控制器体积缩小到比神舟飞船单个控制器还小。此外，试验器首次采用半弹道跳跃式再入返回技术，其成功实施标志着我国航天器回收着陆技术的发展达到了一个新的里程碑。

除回收系统外，北京空间机电研究所负责研制的第二代CMOS 相机（太阳翼监视相机、分离监视相机A和分离监视相机B）和第一代微型CMOS 相机（技术试验相机和双分辨率相机）也随“嫦娥五号”再入返回飞行试验器圆满地完成了飞行试验任务。试验器上搭载的第二代CMOS 相机主要用于监视返回器和服务舱分离过程、太阳翼展开过程等关键动作。不仅如此，CMOS 相机的高清视频功能也为任务的圆满完成、增加展示效果提供了支撑，并完整记录了太阳帆板展开和飞行试验器远离地球的动态过程。第一代微型CMOS相机从近400 g 成功“瘦身”到200 g，相当于一部大屏手机的质量，“身型”也由手掌大小缩小为两个火柴盒叠在一起的体积。10 月28 日，它拍回了首张中国人自己的地月合影。不仅如此，微型CMOS 相机具备高清视频拍摄功能，图像播放流畅，此次任务中，它完成了对月面的高清摄像。

地月合影图（2014 年10 月28 日，技术试验相机，400 万像素，距地球约39.1 万千米，距月球约1.3 万千米）

项目延期

嫦娥五号项目原计划在2017年下半年由长征五号发射，但由于长五遥二箭发射失败而推迟到2019年，随后又推迟到2020年11月。

项目目标

工程目标

嫦娥五号任务有三大工程目标。

一是突破月球采样返回的相关关键技术，二是实现月面采样返回，三是完善月球探测体系，为后续任务奠定基础。

三大工程目标与采样返回的总体目标相对应，也与月球探测持续发展相关联。

科学目标

嫦娥五号的科学目标是：

月球样品的分析研究，对采回的月球样品进行系统、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。
采样区现场就位探测，为有选择地进行月壤取样提供依据，建立现场探测数据与实验室分析数据的联系，具体包括：采样区月表形貌和地质构造调查；采样区月球次表层结构探测；采样区月表物质成分和资源勘察。[6]

2020年11月5日，科学期刊《自然》刊文称，嫦娥五号可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。此前对美、苏获取月壤样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩，这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动，将改写月球的历史。

四个首次突破

与嫦娥三号、嫦娥四号不同，嫦娥五号将实现4个重大首次突破：首次在月球表面自动采样；首次从月面起飞；首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接；首次带着月壤以第二宇宙速度返回地球。[7]

首次在月球表面自动采样

嫦娥五号设计有两种取样方式，用以丰富样品类型。其一是在月面打钻，是为取得较深层的月壤；其二是用机械臂在月球表面取样，在有限范围内横扫收集月壤。两种样品的比例约为1：3，表面采取的月壤更多。随后，上升器将携带月壤样品从停驻在月面的着陆器上起飞，并由轨道器抓获，将月壤样品转移到返回器里。获取的样品必须尽量保持原样，不能破坏其层次结构。此外还要在月面真空环境下完成样品封装，并带回地球，整个环节必须分毫不差。

首次从月面起飞

完成月面采样后，嫦娥五号的上升器要从月面起飞，摆脱月球引力抵达环月轨道。这个任务将由上升器来完成，上升器将在月球表面进行首次月面起飞，但只能进行短距离的飞行。因为它携带的燃料有限，不可能直接飞回地球，只能到达在月球轨道飞行的轨道器，由轨道器携带返回器完成接下来的行程。月面起飞是完全自主的，其姿态有不确定性，不像在地球上发射火箭，有稳定的发射平台和地面人员提供保障。

首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接

在月球采集的样品被送入月球轨道后将与轨道器对接，这种对接在距离地球38 万千米外进行，地球上无法提供数据和测控支持，完全由探测器自主完成。在交会对接之后，还要实现样品的转移，样品要从上升器里转移到返回器里，过程也比较复杂，动作很多，难度较大。

首次带着月壤以第二宇宙速度返回地球

嫦娥五号返回地球的速度非常快，将达到11.2千米每秒的第二宇宙速度，以这样的速度进入大气层，势必会因为高温而被烧毁。要控制它减速至7.9千米每秒的第一宇宙速度进入地球轨道，乃至最终安全返回到指定地点，这些都有很大难度。要在进入大气层阶段把速度降下来，我国选择了“弹跳式”再入返回技术。当嫦娥五号以计算好的某个角度与大气层接触后，和大气层产生相互作用力，嫦娥五号就像碰触到水面的小石子一样，弹跳起来，然后再次接触大气层，就像人们时常玩的“打水漂”，以达到减速目的。这个控制要求比较高，弹跳需要精确计算，一不小心就被弹回大气层外，再也无法回到地球。为克服气流等引起的不确定因素，在弹跳过程中，还有多台小发动机在适时点火，控制姿态，确保每一步升降都准。只有每一步都准确，才能准确降落至内蒙古中部的预定降落场。飞行器从月球轨道回家，采用“弹跳式”进入大气层的方式，仅有苏联采用过。

探测器平台

轨返组合体与着上组合体分离

嫦娥五号探测器的组成包括轨道器、返回器、着陆器和上升器。在环月并准备着陆阶段，轨道器／返回器组合体（以下简称轨返组合体）将与着陆器／上升器组合体（以下简称着上组合体）执行器间分离操作。着上组合体将在月球上着陆，其中上升器要带着采集的样品返回轨道。轨返组合体留在月球轨道上，轨道器承担着支撑和服务任务，返回器的任务是带着月球样本返回地面。

轨道器

返回器

着陆器

上升器

嫦娥五号上升器由中国航天科技集团公司六院801所研制。

2016年上半年，801所已圆满完成正样产品的交付工作。2016年08月17日,嫦娥五号上升器正样热试车成功，有效验证了系统参数的匹配性和正样飞行产品的批次可靠性。[8]

有效载荷

为实现采样区现场就位探测的科学目标，嫦娥五号配置了4台有效载荷及其集成管理设备。[6]

嫦娥五号有效载荷配置
有效载荷	功能简介	科学目标
降落相机	在着陆器动力下降段，获取着陆器降落过程中各个高度时降落区域的月貌特征图像	分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况
月壤结构探测仪	利用脉冲式雷达，探测着陆点月壤厚度及其结构	构建采样区月球次表层结构
全景相机及全景相机转台	获取采样区高分辨率月表图像，可进行静态拍照和动态摄像	构建采样区三维立体影像，对采样过程动态摄像
月球矿物光谱分析仪	获取月表采样区可见和红外反射光谱，获取指定谱段的光谱图像数据	分析月表采样区矿物成分
载荷数据处理器	实现有效载荷系统一体化设计，完成全景相机与其转台、月球矿物光谱分析仪的供电、控制、数据处理与传输以及与探测器系统的接口

除了上述有效载荷之外，嫦娥五号还配备了一套国旗展示系统，安装在着陆器上，着陆后适时展开，全景相机及其转台联动对国旗彩色成像。

月球矿物光谱分析仪

矿物光谱分析仪及其携带的月面定标装置

嫦娥五号月球矿物光谱分析仪（LMS）是探月工程三期重要的数据来源，通过LMS光谱数据分析识别月球表面物质的矿物组成，包括含水矿物，同时有助于判断岩石类型，辅助地层学分析。为月球的形成过程、月球地质演变及岩石-水交互作用的研究提供数据支撑。相比于嫦娥三号红外成像光谱仪，LMS 将光谱范围从450~2400 nm 扩展到了480~3200 nm ，除了能探测月球表面主要矿物辉石、橄榄石等，还可以探测3000 nm 附近的羟基吸收峰特征，为月球表面是否存在“水”提供强有力的证据。此外，嫦娥五号月面工作任务将获取月表以下物质，LMS 可以对月表采样前后的采样区域进行光谱探测，比较不同深度、不同风化程度下的月壤光谱特征，且与后期返回样品的实验室光谱对比分析。

月球矿物光谱仪由中国科学院上海技术物理研究所设计与研制。仪器包括二维指向机构及光谱仪主体，光谱仪主体根据分光器件及探测器特点，按谱段分为可见近红外子模块，红外子模块二个部分。其中可见近红外模块由480~950 nm 谱段的成像光谱仪及900~1450 nm 的光谱仪组成；红外子模块由1400~2450 nm 谱段及2400~3200 nm 的光谱仪组成。同时，LMS 携带有定标漫反射板具备在轨定标功能。

任务进程

嫦娥五号任务步骤

探测器与运载火箭分离后，经地月转移飞行和轨道修正，在近月点实施制动，进入环月圆轨道。

环月期间，探测器一分为二，分为着陆上升组合体与轨返组合体，其中轨返组合体继续环月飞行，而着陆上升组合体经变轨和动力下降飞行，在月面预定区域软着陆。

着陆上升组合体着陆后完成月面样品采集、封装，随后上升器从着陆上升组合体中分离，月面点火起飞进入交会对接轨道。

轨返组合体与上升器完成交会对接后，将月球样品从上升器转移至返回器内，轨返组合体再与上升器分离。

轨返组合体进入月地转移轨道，在距地球一定高度处返回器从轨返组合体中分离。返回器采用半弹道跳跃再入方式进入大气层，并最终落至地面着陆场。[4]

发射

嫦娥五号在2020年11月24日4时30分21秒由长征五号运载火箭发射，2184s 后器箭分离，嫦娥五号进入预定轨道。

中途修正

国家航天局消息，北京时间11月24日22时06分，嫦娥五号探测器3000N发动机工作约2秒钟，顺利完成第一次轨道修正，继续飞向月球。本次嫦娥五号任务发射入轨精度较高，轨道修正量很小。嫦娥五号探测器在飞行过程中，受多种因素影响，会产生轨道偏差，需要根据测定探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差，完成对应的探测器轨道控制，确保探测器始终飞行在适当的轨道上。截至第一次轨道修正前，嫦娥五号探测器各系统状态良好，已在轨飞行约17个小时，距离地球约 16 万公里。

着陆

嫦娥五号可能的着陆区（嫦娥一号CCD 图像，数据来自探月工程数据发布与信息服务系统）

嫦娥五号初选着陆区覆盖范围为41°~45°N，49°~69°W ，处于月球正面风暴洋东北侧，5号标称着陆区为41.5°~44.5N ，58.7° ~64.7°W ，位于预选采样区的中部。[9]

封装

月球轨道对接

北京时间12月14日11时13分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约28秒钟，顺利完成第一次月地转移轨道修正

北京时间12月16日9时15分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约8秒钟，顺利完成第二次月地转移轨道修正，组合体上各系统状态良好

北京时间12月17日1时59分，探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。

凌晨1时许，北京航天飞行控制中心通过地面测控站向嫦娥五号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后，轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处正常解锁分离，轨道器按计划完成规避机动。

凌晨1时33分，嫦娥五号返回器在距地面高度约120公里处，以接近第二宇宙速度（约为11.2千米/秒）高速进入地球大气层，实施初次气动减速。下降至预定高度后，返回器向上跃出大气层，到达最高点后开始滑行下降。之后，返回器再次进入大气层，实施二次气动减速。在降至距地面约10公里高度时，返回器打开降落伞完成最后减速并保持姿态稳定，随后在预定区域平稳着陆。负责搜索回收任务的测控与回收系统技术人员及时发现目标，有序开展回收工作。

按计划，回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后，将空运至北京开舱，取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式，正式向地面应用系统移交月球样品，我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。

嫦娥五号探测器于11月24日在中国文昌航天发射场发射升空并进入地月转移轨道。探测器实施2次轨道修正、2次近月制动，顺利进入环月圆轨道。此后，探测器经历组合体分离、环月降轨及动力下降，着陆器和上升器组合体于12月1日在月球正面预选区域着陆并开展采样工作。12月3日，上升器点火起飞、精准入轨，于6日完成与轨道器和返回器组合体之间的交会对接及样品转移，此后按计划分离并受控落月。12月12日至16日，轨道器和返回器组合体在完成2次月地转移入射、2次轨道修正后，返回器于12月17日与轨道器分离并重返地球。

国家航天局专家表示，嫦娥五号探测器在一次任务中，连续实现我国航天史上首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接、带样返回等多个重大突破，为我国探月工程“绕、落、回”三步走发展规划画上了圆满句号。同时，嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，成功实现了多方面技术创新、突破了一系列关键技术，对于我国提升航天技术水平、完善探月工程体系、开展月球科学研究、组织后续月球及星际探测任务，具有承前启后、里程碑式的重要意义。