滿載而歸的嫦娥五號(hào)上升器，靜靜地佇立在著陸器上，等待著月面起飛時(shí)刻的到來(lái)。
第一次，中國(guó)航天器從月面起飛
懷揣著2公斤月壤，嫦娥五號(hào)探測(cè)器上升器做好了起飛準(zhǔn)備。臨別時(shí)，它看了一眼著陸器。十多分鐘以后，它們將永不再見(jiàn)。接下來(lái)的每一步，它必須小心翼翼，毫厘不差……
落區(qū)平坦，起飛第一步，穩(wěn)了！
12月3日20時(shí)07分，嫦娥五號(hào)上升器進(jìn)入起飛準(zhǔn)備模式。這是我國(guó)首次在地外天體實(shí)施航天器起飛。
火箭在地球表面起飛有完備的發(fā)射塔架支持系統(tǒng)。相比之下，月面起飛條件則簡(jiǎn)陋得多。兩天前，嫦娥五號(hào)著陸器馱著上升器降落月球?，F(xiàn)在，它搖身一變，充當(dāng)起上升器的發(fā)射塔架。
起飛地形很重要。早在落月之前，來(lái)自航天科技集團(tuán)五院總體部的嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師舒燕就曾表示，一個(gè)擔(dān)憂便是著陸器會(huì)降落在斜坡上，“月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹處。這會(huì)給起飛帶來(lái)很大難度。”
經(jīng)過(guò)大量地面試驗(yàn)，科研人員最終確保上升器即便落在20多度的斜坡上，也能夠順利起飛。
“月面起飛前8小時(shí)左右，探測(cè)器的‘大腦’——GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)開(kāi)始工作。3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、上升器起飛后，GNC系統(tǒng)迅速判斷出上升器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而將其調(diào)整成垂直狀態(tài)?！?02所嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)GNC分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師楊巍說(shuō)。
理想的狀態(tài)是落區(qū)平坦?？紤]到采樣后上升器要在月面起飛，嫦娥五號(hào)落月的過(guò)程也是為上升器選擇“發(fā)射場(chǎng)”的過(guò)程。為了給上升器起飛創(chuàng)造更好的條件，相較于嫦娥三號(hào)、四號(hào)，嫦娥五號(hào)對(duì)于著陸點(diǎn)的位置精度和平整度要求更高。
12月1日23時(shí)11分，在GNC系統(tǒng)的精準(zhǔn)操控下，嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預(yù)選著陸區(qū)。從著陸影像圖來(lái)看，地勢(shì)平坦。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，探測(cè)器只傾斜了兩度，上升器幾乎是完美的起飛姿態(tài)。地面飛控人員長(zhǎng)舒了一口氣。
必須按時(shí)起飛，不然生死考驗(yàn)
嫦娥五號(hào)上升器在等待起飛窗口的到來(lái)。
根據(jù)著陸器、上升器的位置姿態(tài)和等候在月球上空的軌道器、返回器組合體實(shí)際飛行情況，地面飛控人員已經(jīng)計(jì)算出上升器最佳的飛行路線，讓上升器以最省燃料的方式飛向軌返組合體。
嫦娥五號(hào)用于起飛的燃料需要自給自足——從38萬(wàn)公里外的地球攜帶過(guò)去。長(zhǎng)途跋涉的艱辛讓嫦娥五號(hào)難以過(guò)多負(fù)重，所以，科研人員要為上升器規(guī)劃一個(gè)最省燃料的月面起飛軌道。嫦娥五號(hào)軌道總體主任設(shè)計(jì)師馬傳令說(shuō)，這樣做還有一個(gè)重要原因——“為后續(xù)在月球軌道進(jìn)行交會(huì)對(duì)接節(jié)省出燃料”。
航天器在月球軌道交會(huì)對(duì)接，對(duì)中國(guó)而言，尚屬首次，有挑戰(zhàn)、更有風(fēng)險(xiǎn)。因此，研制人員必須盡最大可能給上升器留足燃料，以便應(yīng)對(duì)所有的“意料之中”和“意料之外”。
悉心設(shè)定好飛行參數(shù)，上升器靜候飛行指令發(fā)出。不管是在地球還是在月球，航天器發(fā)射都涉及到發(fā)射窗。不同于地面，在月面起飛，發(fā)射窗口期很短，起飛時(shí)機(jī)很重要。
在地球?qū)嵤┻\(yùn)載火箭發(fā)射，地球每天自轉(zhuǎn)一圈，每天都有一次發(fā)射機(jī)會(huì)。而月球則不同，一個(gè)月才會(huì)完成一次自轉(zhuǎn)，若錯(cuò)過(guò)了這次發(fā)射時(shí)機(jī)，只能等到下個(gè)月再實(shí)施。
這對(duì)嫦娥五號(hào)來(lái)說(shuō)萬(wàn)萬(wàn)不允許。因?yàn)槿绻e(cuò)過(guò)此次發(fā)射窗口，月球會(huì)迎來(lái)漫長(zhǎng)月夜，月表溫度最低可達(dá)零下190攝氏度。沒(méi)有光照，上升器的能量會(huì)慢慢散失，對(duì)她而言就是生死考驗(yàn)。與此同時(shí)，等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，月球上空的軌返組合體也會(huì)燃料告急。
要使后續(xù)程序不掉鏈子，解題方式有且只有一個(gè)：按時(shí)起飛。
在月球發(fā)射一枚微縮版火箭
23時(shí)10分，上升器的3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，緊接著，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。氣流反推，上升器騰空而起，月球上升起一枚“微縮版的運(yùn)載火箭”。
安裝在著陸器頂端的分離上升監(jiān)視相機(jī)記錄下了3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程，并將畫面?zhèn)骰亓说厍颉＿@臺(tái)相機(jī)由航天科技集團(tuán)五院508所研制。
21臺(tái)空間發(fā)動(dòng)機(jī)互相配合，為上升器提供動(dòng)力、把控方向、調(diào)整姿態(tài)。其中，3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)提供起飛的主要?jiǎng)恿Γ?0臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)維持姿態(tài)方向。
3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)雖然首次應(yīng)用在天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器上，但它最初是為嫦娥五號(hào)攻關(guān)研制的。發(fā)動(dòng)機(jī)深嵌在探測(cè)器內(nèi)部，工作時(shí)不斷向四周輻射高溫?zé)崂?。如何避免器上設(shè)備受到影響？研制人員采取了增加隔熱屏的熱防護(hù)方案，確保周圍的產(chǎn)品不被烤壞，進(jìn)而保證順利完成任務(wù)。
發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣流是另外一大隱患。通常，火箭在大氣層內(nèi)噴出的氣流稱為尾焰，在大氣層外噴出的氣流稱為羽流。
火箭在地面起飛時(shí)，發(fā)射臺(tái)下都有一個(gè)特別大的導(dǎo)流槽，發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴出的極高溫火焰通過(guò)開(kāi)敞的空間排走，不會(huì)“擁堵”在發(fā)動(dòng)機(jī)出口從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)功能。但是，上升器從月面起飛，作為起飛平臺(tái)的著陸器不可能像地球發(fā)射塔架那樣配置導(dǎo)流槽。
嫦娥五號(hào)上升器推進(jìn)子系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師趙京介紹，3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在上升器的底部中心位置，噴管離著陸器頂板僅20厘米。為了在這20厘米的空間內(nèi)將羽流排導(dǎo)出去，科研人員巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)小型導(dǎo)流錐。
為了解決這個(gè)核心難題，科研人員開(kāi)展了嫦娥五號(hào)全尺寸羽流導(dǎo)流綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。該試驗(yàn)被列為探月三期的重大專項(xiàng)試驗(yàn)之一，主要驗(yàn)證典型工況條件下上升器發(fā)動(dòng)機(jī)月面點(diǎn)火起飛時(shí)，火焰羽流產(chǎn)生的綜合力、熱效應(yīng)及發(fā)動(dòng)機(jī)與羽流導(dǎo)流裝置的相容性，試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。
2015年6月~7月，綜合驗(yàn)證試驗(yàn)在位于北京的航天科技集團(tuán)六院101所軌姿空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)區(qū)分三個(gè)階段進(jìn)行。試驗(yàn)在低溫、真空環(huán)境下進(jìn)行，參試產(chǎn)品與飛行產(chǎn)品尺寸一致，是我國(guó)首次進(jìn)行1：1比例的航天飛行器全尺寸羽流試驗(yàn)，使用了一系列新設(shè)備和新技術(shù)。
“最終，三個(gè)階段綜合驗(yàn)證試驗(yàn)取得圓滿成功，證明發(fā)動(dòng)機(jī)能夠適應(yīng)尾部比較局促的排氣環(huán)境，為嫦娥五號(hào)上升器月面點(diǎn)火起飛提供了安全保障?！辨隙鹞逄?hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師洪鑫說(shuō)。
38萬(wàn)公里外，“最強(qiáng)大腦”完美智控
800公斤重的上升器離開(kāi)了著陸器表面。整個(gè)月面上升段用時(shí)6分鐘左右，上升器經(jīng)過(guò)垂直上升、姿態(tài)調(diào)整、軌道入射，進(jìn)入近月點(diǎn)約15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)約180公里的交會(huì)對(duì)接初始軌道。
在3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的第二秒，GNC系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)上升器進(jìn)行控制，考慮到38萬(wàn)公里的地月距離帶來(lái)的信號(hào)時(shí)延，控制指令早已寫好，并注入程序。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦啟動(dòng)，探測(cè)器需要自主完成整個(gè)上升過(guò)程。這個(gè)時(shí)候，GNC系統(tǒng)將發(fā)揮核心作用。
月面上升時(shí)，重力場(chǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、指向，敏感器的測(cè)量等都會(huì)存在一定誤差，這就需要GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)出冗余。楊巍介紹，在起飛過(guò)程中，GNC系統(tǒng)就像上升器的“最強(qiáng)大腦”，通過(guò)采用類似人工智能的技術(shù)，提升自主性，助力其平穩(wěn)度過(guò)上升起飛期。
在GNC系統(tǒng)的調(diào)控下，各種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)和星敏感器、陀螺儀等互相配合。發(fā)動(dòng)機(jī)為上升器提供動(dòng)力，并幫助其調(diào)整姿態(tài)；星敏感器用來(lái)測(cè)姿態(tài)；陀螺儀用來(lái)測(cè)速度。就像開(kāi)汽車一樣，司機(jī)始終要知道自己的位置、速度和目標(biāo)，不斷地優(yōu)化調(diào)整，最終到達(dá)目的地。
除了正常的飛行程序，GNC系統(tǒng)的另一個(gè)重要作用是備好故障預(yù)案。月面起飛條件苛刻，必須依靠自主定位定姿方法確定起飛的狀態(tài)。如果在起飛過(guò)程中出現(xiàn)故障，也要迅速拿出解決方案。比如，在起飛過(guò)程中，萬(wàn)一3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，GNC系統(tǒng)將迅速啟動(dòng)其他發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作，保障上升器順利進(jìn)入月球軌道。
“上升過(guò)程不可逆，出現(xiàn)任何異常地面都無(wú)法補(bǔ)救。因此，除了加強(qiáng)探測(cè)器的可靠性設(shè)計(jì)外，我們還開(kāi)展了大量的地面試驗(yàn)?！笔嫜嘌兄粕仙魇?，12月3日，看著這個(gè)小家伙從月面“翩翩起飛”，如同在欣賞一幅絕美畫面。
上世紀(jì)，美國(guó)和蘇聯(lián)已經(jīng)掌握了月面起飛技術(shù)，這成為他們得以采回月球樣本的關(guān)鍵所在。這是人類進(jìn)入更遠(yuǎn)深空探索地外天體的必備能力。如今，中國(guó)人掌握了這種能力——來(lái)自中國(guó)的嫦娥五號(hào)上升器帶著月壤，成功突破月球第一宇宙速度（約1.68公里/秒），離開(kāi)月面，進(jìn)入環(huán)月軌道。
中國(guó)人第一次完成了地外天體的完美起飛。
