微信公号“中国航天报”12月5日报道 ， 怀揣着2公斤月壤 ， 嫦娥五号探测器上升器做好了起飞准备 。 临别时 ， 它看了一眼着陆器 。 十多分钟以后 ， 它们将永不再见 。 接下来的每一步 ， 它必须小心翼翼 ， 毫厘不差……
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落区平坦 ， 起飞第一步 ， 稳了！
12月3日20时07分 ， 嫦娥五号上升器进入起飞准备模式 。 这是我国首次在地外天体实施航天器起飞 。
火箭在地球表面起飞有完备的发射塔架支持系统 。 相比之下 ， 月面起飞条件则简陋得多 。 两天前 ， 嫦娥五号着陆器驮着上升器降落月球 。 现在 ， 它摇身一变 ， 充当起上升器的发射塔架 。
起飞地形很重要 。 早在落月之前 ， 来自航天科技集团五院总体部的嫦娥五号探测器系统总体主任设计师舒燕就曾表示 ， 一个担忧便是着陆器会降落在斜坡上 ， “月球表面环境复杂 ， 着陆器不一定是四平八稳的状态 ， 很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹处 。 这会给起飞带来很大难度 。 ”
经过大量地面试验 ， 科研人员最终 确保上升器即便落在 20 多度的斜坡上 ， 也能够顺利起飞 。 “月面起飞前 8小时左右 ， 探测器的‘大脑’——GNC（制导、导航与控制）系统开始工作 。 3000牛发动机点火、上升器起飞后 ， GNC系统迅速判断出上升器的实时状态 ， 进而将其调整成垂直状态 。 ”502所嫦娥五号探测器系统 GNC分系统副主任设计师杨巍说 。
理想的状态是落区平坦 。 考虑到采样后上升器要在月面起飞 ， 嫦娥五号落月的过程也是为上升器选择“发射场”的过程 。 为了给上升器起飞创造更好的条件 ， 相较于嫦娥三号、四 号 ， 嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度要求更高 。
12月1日23时11分 ， 在GNC系统的精准操控下 ， 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 。 从着陆影像图来看 ， 地势平坦 。测试数据显示 ， 探测器只倾斜了两度 ， 上升器几乎是完美的起飞姿态 。 地面飞控人员长舒了一口气 。
必须按时起飞 ， 不然生死考验
嫦娥五号上升器在等待起飞窗口的到来 。
根据着陆器、上升器的位置姿态和等候在月球上空的轨道器、返回器组合体实际飞行情况 ， 地面飞控人员已经计算出上升器最佳的飞行路线 ， 让上升器以最省燃料的方式飞向轨返组合体 。
嫦娥五号用于起飞的燃料需要自给自足——从38万公里外的地球携带过去 。 长途跋涉的艰辛让嫦娥五号难以过多负重 ， 所以 ， 科研人员要为上升器规划一个最省燃料的月面起飞轨道 。 嫦娥五号轨道总体主任设计师马传令说 ， 这样做还有一个重要原因——“为后续在月球轨道进行交会对接节省出燃料” 。
航天器在月球轨道交会对接 ， 对中国而言 ， 尚属首次 ， 有挑战、更有风险 。 因此 ， 研制人员必须尽最大可能给上升器留足燃料 ， 以便应对所有的“意料之中”和“意料之外” 。
悉心设定好飞行参数 ， 上升器静候飞行指令发出 。 不管是在地球还是在月球， 航天器发射都涉及到发射窗口 。 不同于地面 ， 在月面起飞 ， 发射窗口期很短 ， 起飞时机很重要 。
在地球实施运载火箭发射 ， 地球每天自转一圈 ， 每天都有一次发射机会 。 而月球则不同 ， 一个月才会完成一次自转 ， 若错过了这次发射时机 ， 只能等到下个月再实施 。
这对嫦娥五号来说万万不允许 。 因为如果错过此次发射窗口 ， 月球会迎来漫长月夜 ， 月表温度最低可达零下190摄氏度 。 没有光照 ， 上升器的能量会慢慢散失 ， 对她而言就是生死考验 。 与此同时 ， 等待时间过长 ， 月球上空的轨返组合体也会燃料告急 。
要使后续程序不掉链子 ， 解题方式有且只有一个：按时起飞 。
在月球发射一枚微缩版火箭
23时10分 ， 上升器的3000牛发动机点火 ， 紧接着 ， 姿控发动机启动 。 气流反推 ， 上升器腾空而起 ， 月球上升起一枚“微缩版的运载火箭” 。
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安装在着陆器顶端的分离上升监视相机记录下了3000牛发动机启动的过程 ， 并将画面传回了地球 。 这台相机由航天科技集团五院508所研制 。
相机拍摄3000牛发动机启动(01:42)
21台空间发动机互相配合 ， 为上升器提供动力、把控方向、调整姿态 。 其中 ， 3000牛发动机提供起飞的主要动力 ， 20台姿控发动机维持姿态方向 。
3000牛发动机虽然首次应用在天问一号火星探测器上 ， 但它最初是为嫦娥五号攻关研制的 。 发动机深嵌在探测器内部 ， 工作时不断向四周辐射高温热浪 。 如何避免器上设备受到影响？研制人员采取了增加隔热屏的热防护方案 ， 确保周围的产品不被烤坏 ， 进而保证顺利完成任务 。
发动机喷出的气流是另外一大隐患 。 通常 ， 火箭在大气层内喷出的气流称为尾焰 ， 在大气层外喷出的气流称为羽流 。
火箭在地面起飞时 ， 发射台下都有一个特别大的导流槽 ， 发动机尾部喷出的极高温火焰通过开敞的空间排走 ， 不会“拥堵”在发动机出口从而影响发动机功能 。 但是 ， 上升器从月面起飞 ， 作为起飞平台的着陆器不可能像地球发射塔架那样配置导流槽 。
嫦娥五号上升器推进子系统主任设计师赵京介绍 ， 3000牛发动机安装在上升器的底部中心位置 ，喷管离着陆器顶板仅20厘米 。 为了在这20厘米的空间内将羽流排导出去 ， 科研人员巧妙地设计了一个小型导流锥 。
为了解决这个核心难题 ， 科研人员开展了嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验 。 该试验被列为探月三期的重大专项试验之一 ， 主要验证典型工况条件下上升器发动机月面点火起飞时 ， 火焰羽流产生的综合力、热效应及发动机与羽流导流装置的相容性 ， 试验系统复杂、技术难度大、安全风险高 。
2015年6月~7月 ， 综合验证试验在位于北京的航天科技集团六院 101所轨姿空发动机试验区分三个阶段进行 。 试验在低温、真空环境下进行 ， 参试产品与飞行产品尺寸一致 ， 是我国首次进行 1：1 比例的航天飞行器全尺寸羽流试验 ， 使用了一系列新设备和新技术 。
“最终 ， 三个阶段综合验证试验取得圆满成功 ， 证明发动机能够适应尾部比较局促的排气环境 ， 为嫦娥五号上升器月面点火起飞提供了安全保障 。 ”嫦娥五号探测器系统副总设计师洪鑫说 。
38万公里外 ， “最强大脑”完美智控
800公斤重的上升器离开了着陆器表面 。 整个月面上升段用时 6 分钟左右 ， 上升器经过垂直上升、姿态调整、轨道入射 ，进入近月点约 15公里、远月点约180公里的交会对接初始轨道 。
在3000牛发动机点火的第二秒 ， GNC系统开始对上升器进行控制 ， 考虑到38万公里的地月距离带来的信号时延 ， 控制指令早已写好 ， 并注入程序 。 因此 ， 发动机一旦启动 ， 探测器需要自主完成整个上升过程 。 这个时候 ， GNC系统将发挥核心作用 。
月面上升时 ， 重力场 ， 发动机的推力、指向 ， 敏感器的测量等都会存在一定误差 ， 这就需要 GNC系统设计出冗余 。 杨巍介绍 ， 在起飞过程中 ， GNC系统就像上升器的“最强大脑” ， 通过采用类似人工智能的技术 ， 提升自主性 ， 助力其平稳度过上升起飞期 。 在GNC系统的调控下 ， 各种型号的发动机和星敏感器、陀螺仪等互相配合 。 发动机为上升器提供动力 ， 并帮助其调整姿态；星敏感器用来测姿态；陀螺仪用来测速度 。 就像开汽车一样 ， 司机始终要知道自己的位置、速度和目标 ， 不断地优化调整 ， 最终到达目的地 。
除了正常的飞行程序 ， GNC系统的另一个重要作用是备好故障预案 。 月面起飞条件苛刻 ， 必须依靠自主定位定姿方法确定起飞的状态 。 如果在起飞过程中出现故障 ， 也要迅速拿出解决方案 。 比如 ，在起飞过程中 ， 万一3000牛发动机出现故障 ， GNC系统将迅速启动其他发动机继续工作 ， 保障上升器顺利进入月球轨道 。 “上升过程不可逆 ， 出现任何异常地面都无法补救 。 因此 ， 除了加强探测器的可靠性设计外 ， 我们还开展了大量的地面试验 。 ”舒燕研制上升器十年 ， 12月3日 ， 看着这个小家伙从月面“翩翩起飞” ， 如同在欣赏一幅绝美画面 。
上世纪 ， 美国和苏联已经掌握了月面起飞技术 ， 这成为他们得以采回月球样本的关键所在 。 这是人类进入更远深空探索地外天体的必备能力。
如今 ， 中国人掌握了这种能力——来自中国的嫦娥五号上升器带着月壤 ， 成功突破月球第一宇宙速度（约1.68公里/秒） ， 离开月面 ， 进入环月轨道 。
中国人第一次完成了地外天体的完美起飞 。
（原题为《深度丨一文解读嫦娥五号月面起飞》）
【发动机点火|一文解读嫦娥五号月面起飞】(本文来自澎湃新闻 ， 更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
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