推遲發射三年，嫦娥五號究竟經歷了什麼？ | 科技袁人_風聞

　　導讀

　　2020年11月24日，嫦娥五號成功發射，袁嵐峯和中科院國家空間科學中心研究員周炳紅、科學史評話主播吳京平做了一場直播。

　　這期視頻是錄播的第一集，主要解答了四個問題：1、嫦娥五號為什麼凌晨發射？2、為什麼嫦娥五號登月要在白天？3、嫦娥五號為什麼推遲了發射？4、嫦娥五號將如何返回地球？

　　視頻鏈接：

　　西瓜視頻：

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　　本視頻發佈於2020年12月2日，播放量已超百萬

　　精彩呈現：

　　袁：歡迎來到我們的直播間，我是科技袁人袁嵐峯。我是中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的副研究員，我也是西瓜視頻的創作人，我在西瓜視頻的帳號叫做科技袁人袁嵐峯。今天歡迎大家來到我們的這個嫦娥五號直播，我也非常高興地介紹我的兩位朋友，非常專業的科技人士：我的科大師弟，中國科學院國家空間科學中心的研究員周炳紅博士，周老師，非常感謝您來到我們現場。

　　周：大家好。

　　袁：另外一位是著名的科普作家，《科學史評話》的作者吳京平老師。

　　吳：耶

　　袁：也非常高興再次見到吳老師。

　　首先就是，大家都非常高興，今天凌晨的時候（11月24日）我們的嫦娥五號發射是圓滿成功了！我們現在先討論第一個問題吧：它為什麼會在凌晨發射？

　　周：我今天凌晨在現場嘉賓位置觀看這個發射，有很多嘉賓在那兒觀看，所以我是拎了一個麥克風，像小偷一樣走到那個廣場上給大家，像推銷那個狗皮膏藥一樣給大家解説。開個玩笑。

　　袁：凌晨的時候你已經解説過一次了？

　　周：對 我解説過一次了，今天有點疲憊。

　　然後為什麼它的這個發射窗口要選擇在凌晨？

　　其實最開始一個問題就是為什麼要有窗口，其實主要的原因有兩方面：一方面是這個月球在轉，還有一方面是這個地球在自轉。也就是説，因為這個地球轉動和月球運動之間它就有個相位，就是我們去的時候，我們火箭飛行的路徑基本上是比較固定的，表面上看起來就是一個8字一樣地從地球上滑過去，然後一個拋物線再到月球那邊又一個拋物線這樣連成一個8字，一個S型過去。這個S型是比較固定的，那麼就有兩個相位就決定了它的窗口。

　　第一個相位就是月球的相對於地球的相位，那麼月球我們知道，它是27天-28天左右轉一圈，也就是説它每天要轉大概是12度，如果是轉了三天以後，它就轉了36度，我們這個S型就擺不過去了，擺不過去了以後那會怎麼樣呢？也就是説，我們每個月發射窗口對於月球的相位來説只有三天左右，也就是我們連着只有三天的窗口。這是第一個由月相決定。

　　第二個，就是我們為了利用文昌的地球自轉的這個力量，就是它要甩出去，要沿着這個地球的切面甩出去。那麼要在合適的位置甩出去才能充分地利用地球自轉的能量，也就是優化這個發射、優化它的運載能力。那麼地球呢也是在自轉的，地球自轉一個小時就要轉個15度左右。剛才不是説月球如果偏了30多度它就沒法發射了，地球也是一樣，所以你地球如果轉了兩個小時那我們（月球）就轉了30度，那個月球的相位也就錯開了，這個運載能力損失太大，所以就不能過去了。所以對於地球自轉來説我們的窗口就是用小時來記的，當然更具體的工程上來計算，最後咱們國家公佈的是説，每次發射的窗口大概只有一個小時左右，然後每天都會有一次，連續會有那麼三天左右都有窗口，一個月裏面。

　　所以最主要的原因就是地球自轉和月球圍着地球的公轉這個相位位置關係決定了我們有一個具體的發射窗口。

　　袁：我看是不是可以這樣理解，就是這個所謂時間窗口它主要目的就是為了節約燃料，是吧？你如果不在這個時間窗口，實際上照樣是可以去的，只不過就是要多耗燃料。

　　周：沒錯，拿回來的樣品就會少很多了

　　袁：是的。然後呢，首先您説到了月球的窗口。因為月球它自轉的週期是27、28天，實際上剛好就是地球走了一個月是吧。所以就會導致一個後果就是月球總是同一面對着地球的，我們永遠只能看到月球的一面，而不是另外一面。這是因為月球被地球潮汐鎖定了，是這樣嗎？

　　周：是這樣的。

　　吳：為什麼選在11月份，而不是提前幾個月？

　　周：11月份這是由整個任務的工程時間安排，它上個月可能有別的任務了。但是這個總體設計隊伍基本上是同一支隊伍，這是一個原因。

　　還有一個原因就是選擇這個凌晨發射也是有好處的。凌晨發射有個什麼好處呢？就是我們的火箭飛上去以後，馬上它是有太陽照着的我們地球，地面上的監測設備就能很清晰地看到。我覺得這也是我們選擇這個月的原因。如果在下一個月可能這個窗口就不是在凌晨了，如果是在12點那就不好，上面也是，你飛上去以後也是暗的。也就是這個測控條件就決定了它選擇哪一個月最好。

　　吳：那是不是還要考慮登月着陸的地點正好是白天，還不能是月亮上的晚上？

　　周：是這樣的，我們這個着陸地點也決定了，我們着陸地點是希望它着陸的那個地方我們開始工作，也就是大概是7天以後，開始工作那個時間，在月球上，在它當地是正午是比較合適的，那樣太陽照着就比較暖和，比較暖和的話，那你要去鑽頭要去採樣的話你需要消耗的功率就更小。

　　那麼這個為什麼會出現這個約束呢？

　　就是因為這個嫦娥五號跟嫦娥四號飛行器不一樣。嫦娥四號是帶了一個核裂變的能源，所以它到晚上它都可以，它的能源工作時間特長。這次為了減輕整個飛行器的重量，它就沒有帶那個核能源，它是靠自己的電池和太陽能，這樣的話就決定了到達那邊也有一個最優的窗口。應該是這些，剛才説的這幾個約束條件共同決定了可能是這個月就屬於一個最優的窗口，而且是這一天。

　　吳：也就是説它最好是登月，着陸那個地點，剛好是從黎明之中過來，我們的嫦娥探測器就到了月球附近，然後開始繞着月球轉，然後這樣的話就有長達14天的，應該是半個月的時間吧可以供我們來選擇到底什麼時候下去。

　　周：沒錯 是這樣的，一般最優的下去的時間點就是在它當地的正午下去。

　　吳：那麼實際上也就是説還有大概是有7天左右的這種打前站的時間是吧？

　　周：是的，是這樣的。

　　袁：剛才周老師説到月球的正午，我想這是需要提醒觀眾一下，就是我們説的是月球的正午，因為月球它也有月晝和月夜，但是它的一個月晝月夜是14天左右。

　　它不是地球的一天，所以這也就是為什麼月夜對我們來説更麻煩，因為它會有長達14天的時間見不到太陽。

　　一個太冷，而且你也沒有能量來源。我們現在用的是太陽能電池嘛，你又沒有太陽，所以在那兒待的時間一長就掛掉了。

　　剛才周老師他説的讓我學到一件事情，就是這個核電池就像我們上次嫦娥四號用的這個核裂變電池，這個電池的好處是它的這個動能特別特別的長，它在那兒可以持續工作好多年。

　　吳：所以嫦娥四號現在還在工作呢。

　　袁：沒錯沒錯。所以我們會經常看到這樣的新聞説那個嫦娥四號帶的那個玉兔，那叫玉兔二號是吧？它過一會兒這個月又休眠了，下一個月它又醒來了，又休眠了又醒來……這樣的新聞太多了。現在大家已經不當回事了，但是你如果真的去看你就會發現，它不停地在做這個週期，因為它帶有非常充分的能源，可能過十幾年之後，你發現它還在這兒用，這就是核電池的厲害之處。

　　但是我們這次嫦娥五號的任務，我們不需要待很長的時間，我們就是在那兒挖一鏟子土，嫦娥五號在月球表面只待一天吧，帶回來2公斤的樣品。

　　有一點，很多人可能沒有意識到，嫦娥五號其實本來應該在嫦娥四號前面的，就是嫦娥五號最初的發射時間實際上應該是2017年，而我們的嫦娥四號最後不是在2018年的年底發射的嘛，然後在2019年的1月初的時候登陸月球。實際上嫦娥五號是在嫦娥四號前面，但是為什麼它從2017年調到2020年呢？由周老師來向大家解釋一下這個故事。

　　周：好。為什麼這個（發射推遲），最主要的原因就是長征5號運載火箭它在第二次發射，也就是2017年的時候出現了故障，它的發動機在高空的時候發生了爆炸、解體。這樣的話，後來就，其實對這個發動機的故障進行了很長時間的排查，它就需要進行我們叫質量歸零 技術歸零。

　　當時袁老師還寫了一篇很好的文章《善始善終，北斗系統全球組網完成 | 科技袁人LITE》                                       

　　袁：我那個文章，關鍵材料就是周老師提供給我的，非常感謝。有興趣的觀眾可以去看看那個文章。那個節目實際上是在我們講中國的北斗3號系統，就是建成一個全球系統，北斗徹底建成一個全球系統那個時間點放出來的。就是我們講北斗為什麼做了那麼久，然後這個中間因為它要歸零，北斗最後一顆衞星的發射是延遲的。因為它頭一天晚上眼看要發射的時候發現有個毛病，就是發現有個裂紋，然後當天晚上就決定要延期了。然後又排查了一個星期，然後把這個毛病排除了以後發射，這中間那個過程就是質量歸零。這個質量歸零，這是一個管理學上的智慧，這是中國的航天部門提交給ISO，就是世界標準管理組織，它就成為了一個國際標準。是中國非常少有的一個在管理方面確立的國際標準。這是我從周老師學到的非常有意思的一箇中國對於世界在管理方面的貢獻。

　　然後，長征5號的技術排查它那個時間特別特別長，花了兩年的時間，就是2017年底的時候發現毛病，然後直到2019年的時候，他才真正把這個毛病找出來。中間還曾經有好幾次，大家以為已經找到這個毛病，但是你再用更精細的手段去一查，發現還是有毛病。然後大家熬得頭髮都掉了，但是經過大家不斷地加班加點，然後拼搏了將近兩年時間，最後終於把這個真正的毛病找出來了。你要歸零，把它真正歸到零那是非常不容易。

　　吳：歸零是要把整個問題全部復現出來吧，就是説當時出了什麼樣的故障必須從頭到尾來一遍。

　　袁：歸零最重要的一個步驟就是要問題復現，他要告訴你在什麼環境下，在這個環境下這個問題就一定會出現。只有當你做到這一步的時候，你才能真正找到原因。不是碰運氣，不是説這一次也許就行吧，不能是這樣。你必須把那個問題百分之百地找到，然後才能發射。歸零分為兩部分：技術的歸零和管理的歸零，這兩面都要做到位才行。結果就是在2019年的6月，就是大概折騰了一年半之後終於找到了這個毛病。然後再拼命地去趕這個火箭的進度，然後終於在2019年的12月27日這個長征5號終於能夠復飛了。那一天多少人都在那兒揪心呢！

　　當時大家都非常關心這個，因為長征5號它遠遠不止是一型火箭，它是我國很長一段時間內所有的這些重型的任務唯一的一個運載器，所以大家全都盯着它了。幸好那一次復飛終於成功了，所以很多人説這叫“一箭定乾坤”。

　　然後它復飛之後，然後下一次成功的任務就是在今年7月23號的時候發射的那個火星探測器——天問一號。

　　那個也是相當的成功，現在我們這個天問1號它正在奔往火星的途中，它大概已經走了有3億公里了。但是這個總的旅途有9億公里，所以大概才過了三分之一，它已經做了有這麼四、五次姿勢調整了，大概會在明年的2月份會到達火星軌道。所以我們現在也在非常有興趣地去看這個。

　　吳：大概是在除夕晚上好像是。

　　袁：如果真是在那個時候到的話，那真是一個最有意思的新聞。

　　吳：好像是在除夕到，最近不是天問還拍了兩個自拍嘛。扔了兩個相機出去。

　　袁：是。天問一號那個自拍，那個它費的主要是相機，一次性的扔了就完了，用完就把相機扔了，這個實在是太浪費了。我也問過周老師、吳老師，我説怎麼自拍，回答説好像是拍一次就扔一個相機。你為什麼不能是多拿幾個相機，然後用人工智能來組合一個。聽説像美國的有些像月球車它就是這樣的，或者火星車，它就是多拿幾個鏡頭，然後拿人工智能、用軟件來合成一個，那就不用拍一個扔一個了。

　　吳：它沒有辦法，因為要自拍的話它必須離開自己一段距離，它扔到旁邊去，然後這時候扔出去以後它就拿不回來了，除非拿個繩子拽着。

　　袁：為什麼不這樣做呢

　　吳：是有點捨不得，不過一次性的相機也還好了

　　袁：那個也是帶了不少質量，對於這種航空發射任務，每一克的質量都是非常寶貴的但是我們這次特別牛的。就是一次發了8.2噸的探測器，這是前所未有的一個巨型的探測器。

　　吳：對，它這個探測器還比較重。

　　周：而且這次它是準秒發射，它跟預計的第一個時間點就是預計是4點30分12秒發射，它真的是在那個時間就起飛了、發射了。

　　袁：那以前難道不是嗎？

　　周：以前會經常推遲個幾分鐘、推遲個半小時，那都很常見。

　　袁：OK。

　　吳：還有好像我們是倒計時的時候，最後到零了以後才正式開始點火。然後呢，你等這個點火以後把這個火箭推起來還要花點時間。美國人好像不是這麼幹的，美國人是提前把火點開了，然後摁住它，不讓它跑，然後等到一直到計時到零，一到零，一撒手，它直接就開始往上竄。它這個倒計時跟倒計時還不一樣。

　　袁：他要摁住多長時間?

　　吳：反正就是，好像意思就是最大功率嘛，就是你一步竄出去不就完了嘛。所以就是説沒有到倒計時為零的時候美國火箭就開始冒煙了，我們一直到倒計時到零才開始冒煙。

　　袁：實際上這個火箭剛開始上升的時候，非常非常慢。我最近剛剛看吳季老師一本書，裏面講的幾乎全是他的工程構想，那些工程都是現在技術基本上可以達到的。然後那裏面他就描寫一個火箭方案，就是説這個火箭剛開始發射的時候非常非常慢，你會很擔心它會掉下來但實際上很穩，一切都在控制之中。

　　下一個問題是，可能很多人也不知道，這個嫦娥五號，我們在之前就做過一次預演了，它叫做探路者 T-1，這個是在2014年發射的。2014年那一次這個探路者到底是去幹什麼的呢？我們現在跟那時候相比技術上有了什麼樣的變化呢？周老師來給我們講講。

　　周：那次其實最主要的一個測試目標就是因為那個探路者，也就是這次嫦娥五號，它還是要從月球回來。它回來的速度跟我們以前神舟飛船回來的速度是不一樣的，它是接近於第二宇宙速度，也就是接近於11公里每秒的速度返回。原來神舟飛船是接近於7.5公里每秒的速度返回。所以它的速度更高的話會導致一個問題就是因為它的熱流密度，就是單位面積上的熱流是跟速度的立方成正比的，所以它的熱流密度更大。那麼它的熱負荷怎麼解決這個高温燒蝕的問題，它就要進行一個實驗的驗證。

　　那麼剛好那一次，它就有個搭載發射的機會，它就驗證了探路者1號它進來的時候跟神舟飛船進入大氣層的模式是不一樣的——它是用打水漂的方式進入的。跟阿波羅飛船也差不多：它先從外太空回來以後進入大氣層到60、70公里高的地方會再滑出去、飄出去，然後再飄出去，離開大氣層，然後到幾百公里以後再進來，第二次進來。

　　這樣第二次進入的時候，這兩次進入就延長了探路者1號在大氣層中滑行的時間，就是摩擦作用的時間，總的熱流增加了但是時間延長了，它整個滑行的距離將近2萬公里，這樣的話整個的在單位時間中熱流密度又變得跟我們國家的神舟飛船，其實把它的熱流密度就降下來了，把這個探路者1號這樣通過這個打水漂的方式，把它技術難度就降低了。但是軌道的控制要求就增加了，等於把熱流密度的這個難題其實是降低了一些，所以它是試驗了一個新技術，跟我們國家原來神舟飛船相比是採用了一個新技術。

　　袁：實際上是説以前我們那飛船回來的時候，那個速度是比較慢的，它那個是接近於第一宇宙速度，所以它一次進入大氣層，然後那個摩擦，它就下來，就沒事兒了。但是我們這次回來，就是嫦娥五號回來那個速度太快了，那是接近第二宇宙速度，然後你如果就是讓它硬着頭皮往裏鑽，這倒也可以，但是帶來的這個熱量損耗非常非常大。

　　你要不有兩種選擇：一個就是多帶一些燒蝕材料讓它盡情地燒，但是這樣的話會增加重量，有可能直接就燒穿了。另外一個辦法，這個比較巧妙的辦法就是打水漂，就是兩次再入，第一次進來彈一下又彈出去，又彈到太空，然後第二次再入，兩次回到大氣層。有很多人把這個稱為錢學森彈道是吧？

　　吳：桑格爾吧，桑格爾彈道是吧，錢學森好像是拉起，拉起以後不出去。

　　袁：周老師，這個彈道有什麼專業名詞嗎？

　　周：這是語言學的問題吧？反正有兩種彈道，至於哪個名字一般人也記不住。

　　袁：總之這是一個非常重要的一個空氣動力學上面的一個辦法。你如果不用這一招的話很多事情也搞不定的。就像當年阿波羅載人飛船那一回，它後來是不是也是用的這種辦法？

　　周：是。阿波羅飛船用的也是這個，探路者1號與嫦娥五號一樣的辦法。

　　袁：而且當時還是手動操縱的，當時自動達不到這種程度。所以像尼爾·阿姆斯特朗這些人他確實大智大勇，發揮了極高的主觀能動性，以一個非常精確的角度操縱了那個再入大氣層的那個角度。那個角度如果稍微錯一點，彈出去他就回不來了，那個真是要了命了。

　　吳：手動擋就不如自動擋好開嘛。它整個你想，它從第一次進來到最後落地的話要2萬公里，等於是包了半個地球。這玩意兒測控起來從第一次進來的地方跟最後落地的地方差太遠了，你沒有測控系統的話，這個搞不定的。

　　袁：幸好是阿姆斯特朗當時操縱得非常準，他完全控制在一度之內。這個確實落到了預想的那個地方，就落到了大海上，最後航空母艦救起來了。

　　吳：他們還好，那個阿波羅13號回來的時候那得費多少勁，那是好多儀器都沒有電了。

　　袁：是，阿波羅13號是一個災難。那個是阿波羅計劃當中唯一一次想登月，但是沒成功，但是神奇的是他們居然飛回來了。

　　吳：人家居然就能把喪事當喜事辦了。

　　袁：而且那些人確實環繞了月球是吧，他直接回是回不來的。

　　吳：眼巴巴地看着下不去，你説這個心情。

　　袁：它只能是兜月球一圈然後再回來。

　　吳：對，兜一圈。

　　袁：這個感覺真是非常的神奇。所以探路者（衞星）它已經，它其實就是為了實踐這個兩次再入地球打水漂，然後讓我們能夠安全地回來。

　　所以現在我們這個嫦娥五號實際上你會發現，嫦娥五號的每一個任務以前都已經演練過，而且它這個任務還是分解成很多個子任務，然後對每一個任務我們以前基本上都演練過。所以這次雖然執行一個前所未有複雜的，但是總體上我們還是有相當大的信心的。就是因為我們並不像某些國家那樣步子跨得太大，我們這每做一件事情都還是要經過充分的驗證。