滿載而歸的嫦娥五號上升器，靜靜地佇立在著陸器上，等待著月面起飛時刻的到來。
第一次，中國航天器從月面起飛
懷揣著2公斤月壤，嫦娥五號探測器上升器做好了起飛準備。臨別時，它看了一眼著陸器。十多分鐘以后，它們將永不再見。接下來的每一步，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07分，嫦娥五號上升器進入起飛準備模式。這是我國首次在地外天體實施航天器起飛。
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，月面起飛條件則簡陋得多。兩天前，嫦娥五號著陸器馱著上升器降落月球。現(xiàn)在，它搖身一變，充當起上升器的發(fā)射塔架。
起飛地形很重要。早在落月之前，來自航天科技集團五院總體部的嫦娥五號探測器系統(tǒng)總體主任設計師舒燕就曾表示，一個擔憂便是著陸器會降落在斜坡上，“月球表面環(huán)境復雜，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。這會給起飛帶來很大難度。”
經(jīng)過大量地面試驗，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小時左右，探測器的‘大腦’——GNC（制導、導航與控制）系統(tǒng)開始工作。3000牛發(fā)動機點火、上升器起飛后，GNC系統(tǒng)迅速判斷出上升器的實時狀態(tài)，進而將其調(diào)整成垂直狀態(tài)。”502所嫦娥五號探測器系統(tǒng)GNC分系統(tǒng)副主任設計師楊巍說。
理想的狀態(tài)是落區(qū)平坦。考慮到采樣后上升器要在月面起飛，嫦娥五號落月的過程也是為上升器選擇“發(fā)射場”的過程。為了給上升器起飛創(chuàng)造更好的條件，相較于嫦娥三號、四號，嫦娥五號對于著陸點的位置精度和平整度要求更高。
12月1日23時11分，在GNC系統(tǒng)的精準操控下，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區(qū)。從著陸影像圖來看，地勢平坦。測試數(shù)據(jù)顯示，探測器只傾斜了兩度，上升器幾乎是完美的起飛姿態(tài)。地面飛控人員長舒了一口氣。
必須按時起飛，不然生死考驗
嫦娥五號上升器在等待起飛窗口的到來。
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、返回器組合體實際飛行情況，地面飛控人員已經(jīng)計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。
嫦娥五號用于起飛的燃料需要自給自足——從38萬公里外的地球攜帶過去。長途跋涉的艱辛讓嫦娥五號難以過多負重，所以，科研人員要為上升器規(guī)劃一個最省燃料的月面起飛軌道。嫦娥五號軌道總體主任設計師馬傳令說，這樣做還有一個重要原因——“為后續(xù)在月球軌道進行交會對接節(jié)省出燃料”。
航天器在月球軌道交會對接，對中國而言，尚屬首次，有挑戰(zhàn)、更有風險。因此，研制人員必須盡最大可能給上升器留足燃料，以便應對所有的“意料之中”和“意料之外”。
悉心設定好飛行參數(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，起飛時機很重要。
在地球?qū)嵤┻\載火箭發(fā)射，地球每天自轉(zhuǎn)一圈，每天都有一次發(fā)射機會。而月球則不同，一個月才會完成一次自轉(zhuǎn)，若錯過了這次發(fā)射時機，只能等到下個月再實施。
這對嫦娥五號來說萬萬不允許。因為如果錯過此次發(fā)射窗口，月球會迎來漫長月夜，月表溫度最低可達零下190攝氏度。沒有光照，上升器的能量會慢慢散失，對她而言就是生死考驗。與此同時，等待時間過長，月球上空的軌返組合體也會燃料告急。
要使后續(xù)程序不掉鏈子，解題方式有且只有一個：按時起飛。
在月球發(fā)射一枚微縮版火箭
23時10分，上升器的3000牛發(fā)動機點火，緊接著，姿控發(fā)動機啟動。氣流反推，上升器騰空而起，月球上升起一枚“微縮版的運載火箭”。
安裝在著陸器頂端的分離上升監(jiān)視相機記錄下了3000牛發(fā)動機啟動的過程，并將畫面?zhèn)骰亓说厍颉＿@臺相機由航天科技集團五院508所研制。
21臺空間發(fā)動機互相配合，為上升器提供動力、把控方向、調(diào)整姿態(tài)。其中，3000牛發(fā)動機提供起飛的主要動力，20臺姿控發(fā)動機維持姿態(tài)方向。
3000牛發(fā)動機雖然首次應用在天問一號火星探測器上，但它最初是為嫦娥五號攻關(guān)研制的。發(fā)動機深嵌在探測器內(nèi)部，工作時不斷向四周輻射高溫熱浪。如何避免器上設備受到影響？研制人員采取了增加隔熱屏的熱防護方案，確保周圍的產(chǎn)品不被烤壞，進而保證順利完成任務。
發(fā)動機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，發(fā)射臺下都有一個特別大的導流槽，發(fā)動機尾部噴出的極高溫火焰通過開敞的空間排走，不會“擁堵”在發(fā)動機出口從而影響發(fā)動機功能。但是，上升器從月面起飛，作為起飛平臺的著陸器不可能像地球發(fā)射塔架那樣配置導流槽。
嫦娥五號上升器推進子系統(tǒng)主任設計師趙京介紹，3000牛發(fā)動機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)將羽流排導出去，科研人員巧妙地設計了一個小型導流錐。
為了解決這個核心難題，科研人員開展了嫦娥五號全尺寸羽流導流綜合驗證試驗。該試驗被列為探月三期的重大專項試驗之一，主要驗證典型工況條件下上升器發(fā)動機月面點火起飛時，火焰羽流產(chǎn)生的綜合力、熱效應及發(fā)動機與羽流導流裝置的相容性，試驗系統(tǒng)復雜、技術(shù)難度大、安全風險高。
2015年6月~7月，綜合驗證試驗在位于北京的航天科技集團六院101所軌姿空發(fā)動機試驗區(qū)分三個階段進行。試驗在低溫、真空環(huán)境下進行，參試產(chǎn)品與飛行產(chǎn)品尺寸一致，是我國首次進行1：1比例的航天飛行器全尺寸羽流試驗，使用了一系列新設備和新技術(shù)。
“最終，三個階段綜合驗證試驗取得圓滿成功，證明發(fā)動機能夠適應尾部比較局促的排氣環(huán)境，為嫦娥五號上升器月面點火起飛提供了安全保障。”嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設計師洪鑫說。
38萬公里外，“最強大腦”完美智控
800公斤重的上升器離開了著陸器表面。整個月面上升段用時6分鐘左右，上升器經(jīng)過垂直上升、姿態(tài)調(diào)整、軌道入射，進入近月點約15公里、遠月點約180公里的交會對接初始軌道。
在3000牛發(fā)動機點火的第二秒，GNC系統(tǒng)開始對上升器進行控制，考慮到38萬公里的地月距離帶來的信號時延，控制指令早已寫好，并注入程序。因此，發(fā)動機一旦啟動，探測器需要自主完成整個上升過程。這個時候，GNC系統(tǒng)將發(fā)揮核心作用。
月面上升時，重力場，發(fā)動機的推力、指向，敏感器的測量等都會存在一定誤差，這就需要GNC系統(tǒng)設計出冗余。楊巍介紹，在起飛過程中，GNC系統(tǒng)就像上升器的“最強大腦”，通過采用類似人工智能的技術(shù)，提升自主性，助力其平穩(wěn)度過上升起飛期。
在GNC系統(tǒng)的調(diào)控下，各種型號的發(fā)動機和星敏感器、陀螺儀等互相配合。發(fā)動機為上升器提供動力，并幫助其調(diào)整姿態(tài)；星敏感器用來測姿態(tài)；陀螺儀用來測速度。就像開汽車一樣，司機始終要知道自己的位置、速度和目標，不斷地優(yōu)化調(diào)整，最終到達目的地。
除了正常的飛行程序，GNC系統(tǒng)的另一個重要作用是備好故障預案。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)。如果在起飛過程中出現(xiàn)故障，也要迅速拿出解決方案。比如，在起飛過程中，萬一3000牛發(fā)動機出現(xiàn)故障，GNC系統(tǒng)將迅速啟動其他發(fā)動機繼續(xù)工作，保障上升器順利進入月球軌道。
“上升過程不可逆，出現(xiàn)任何異常地面都無法補救。因此，除了加強探測器的可靠性設計外，我們還開展了大量的地面試驗。”舒燕研制上升器十年，12月3日，看著這個小家伙從月面“翩翩起飛”，如同在欣賞一幅絕美畫面。
上世紀，美國和蘇聯(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。這是人類進入更遠深空探索地外天體的必備能力。如今，中國人掌握了這種能力——來自中國的嫦娥五號上升器帶著月壤，成功突破月球第一宇宙速度（約1.68公里/秒），離開月面，進入環(huán)月軌道。
中國人第一次完成了地外天體的完美起飛。
