嫦娥五号

中国探月工程分为“绕”、“落”、“回”三个期段，统称“小三步”（“三步走”）。[12][13]

• 一期工程“绕”：2007年启动，发射月球轨道器/硬着陆器，在距离月球表面兩千公里的高度绕月飞行，进行月球全球探测。
• 二期工程“落”：2013年启动，发射月球软着陆器/巡视器，降落到月球表面，释放一个月球车，进行着陆区附近局部详细探测，着陆器还将携带天文望远镜，从月亮上观测星空。
• 三期工程“回”：2019年启动，发射月球自动采样返回器，降落到月球表面后，机械手将采集月球土壤和岩石样品（一次在月球南极）送上返回器，返回器再将月球样品带回地球，开展相关研究。[14]嫦娥五号任务即属于三期工程。
• 四期工程：指“三步走”完成后，后续对月球的科研活动。对月球南极的一次综合探测，包括对月球的地形地貌、物质成分、空间环境等进行一次综合探测。及验证部分技术，为以后各国一起共同建立月球科研基地，做一些前期探索。[15][16]

美国与苏联的月球任务，左为阿波罗12号，右为月球16号。

第一个尝试在月球上取样返回的探测器是苏联的月球15号。月球15号于1969年7月13日成功发射，不过在着陆阶段，探测器在月球危海撞成碎片，任务宣告失败。1969年7月20日，也就是月球15号坠毁几天后，阿波罗11号任务实现了人类首次登月，另外阿波罗11号任务也实现了首次在月球取样并携样品返回地球。1970年9月12日，经过了质量重新验证，月球16号探测器成功落月取样并返回地球。月球16号从月球丰饶海取回了一块101克的小样本，是人类第一个、苏联的第一个成功在月球自动取样的返回式探测器[17][18]。

此后苏联与美国执行了多个月球航天任务，各自采集了月岩与月壤样本。1976年，月球24号执行了苏联也是20世纪人类最后一个月球采样返回任务。直到嫦娥五号任务前，再也没有返回式航天器落月并带回月岩或者月壤样本[19]。

1978年，时任美国总统国家安全事务助理布热津斯基到访中国。为推动中美尽快建交并表诚意，布热津斯基随身携带了一份1克重的月岩标本作为礼物。为了研究这块标本，欧阳自远与其他专家用0.5克月岩标本做了大量的研究，弄清楚了这块月岩的来源与组成成分，剩下的0.5克月岩在北京天文馆展览[20]。

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  嫦娥五号与送其上天的长征五号运载火箭

2020年11月23日18时30分许，長征五號運載火箭开始加注液氧液氢低温推进剂[37]。24日凌晨4时30分，在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，火箭飞行约2200秒后，顺利将探测器送入预定轨道[38]。

2020年11月24日22时06分，嫦娥五号探测器3000牛发动机工作约2秒钟，在距离地球约16万公里的位置完成第一次轨道修正[39][40]。

2020年11月25日22时06分，嫦娥五号探测器两台150N发动机工作约6秒钟，在距离地球约27万公里的位置完成第二次轨道修正[41]。

2020年11月28日20时58分，嫦娥五号探测器在月面400公里处使用3000牛发动机点火约17分钟后，正常制动，进入环月轨道[42]。

2020年11月29日20时23分，嫦娥五号探测器再次实施制动，从椭圆环月轨道进入近圆形环月轨道飞行[43]。

2020年11月30日04时40分14.822秒，嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体顺利分离[44]。

2020年12月1日22时57分，嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体从距离月面15公里处开始实施动力下降，7500牛变推力发动机开机，调整对月速度、姿态调整，以接近月表[45]。

23时11分，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.837度、北纬43.099度附近的预选着陆区，并传回着陆影像图[46]。

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  月面的上升器着陆器组合体（模拟图）
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  月球勘测轨道飞行器拍摄到的着陆点
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  组合体在月面展开中華人民共和国国旗（模拟图）

2020年12月1日23时11分，嫦娥五号探测器成功着陆在位于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区（月球正面西经51.837度、北纬43.099度）附近的预选着陆区。随后着陆器在地面控制下，进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作[45]。此后正式开始持续约2天的月面工作，采集月球样品[47]。

12月2日4时53分，探月工程嫦娥五号着陆器和上升器组合体進行了月球钻取采样及封装[48]。

12月2日22时，嫦娥五号探测器经过约19小时月面自動工作，完成月球表面采样，并将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中[49]。

月面起飞系统由上升器、着陆器和月面构成[25]。

在完成月面采样和封装工作后，嫦娥五号上升器于2020年12月3日23时10分21秒月面点火脱离着陆器起飞上升离开月面，其3000N发动机工作约6分钟并经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段后进入环月轨道。这是中国首次实现地外天体起飞，上升器点火起飞前，着上组合体实现月面中华人民共和国国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离[50]。

上升器轨道器分离（模拟图）

12月6日5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中[51]。交会对接是通过远程导引和近程自主控制，轨道器返回器组合体逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕获上升器。这是中国航天器首次实现月球轨道交会对接[52]。

12月6日12时35分，嫦娥五号轨道器返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段[53]。

12月8日6时59分，嫦娥五号上升器按照地面指令受控离轨，7时30分左右降落在月面经度0度、南纬30度附近的落点[54]。

2014年10月24日2时，嫦娥五号T1飞行试验器在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭发射升空，三日后绕月并返回地球，并于次月1日在四子王旗着陆场成功着陆。这表明中国已掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回技术，为嫦娥五号任务实施进行了前期技术验证[55]。

2020年12月12日9时54分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体在约6天的环月等待后，实施了第一次月地转移入射，从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道[56]。

2020年12月13日9时51分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体在距月面230公里处实施第二次月地转移入射，四台150牛发动机点火，约22分钟后发动机正常关机，轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道[57]。

2020年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，完成第一次月地转移轨道修正[58]。

2020年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，完成第二次月地转移轨道修正[59]。

再入返回前轨道舱返回舱分离

2020年12月17日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导航参数，此后于1时12分轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处解锁分离，轨道器完成规避机动[60]。

2020年12月17日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[60]。

2020年12月17日1时59分，嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，任务完成[8][61]。2时21分许，空中搜索回收分队发现嫦娥五号返回器，并通过直升机红外吊舱传回返回器着陆画面。2时30分许，地面搜索分队抵达嫦娥五号返回器着陆点[62]。

2020年12月17日8时15分，嫦娥五号返回器通过中国人民解放军陆军航空兵-17V-5直升机吊运至朱日和机场，吊装前为防止返回舱剩余燃料冻结对其采取了保温措施[63][64]。15时50分，嫦娥五号返回器由中国人民解放军空军运-9自朱日和机场起飞转运并预计于17时30分抵达北京，转运前于机场厂房排空返回器燃料[65]。

2020年12月17日20时左右，当日凌晨着陆的嫦娥五号返回器，经过一天的接续转运，回到了航天五院（中国空间技术研究院）。当晚，航天科技集团五院为嫦娥五号返回器举办了“回家”欢迎仪式[66]。

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  航天五院众人举行仪式迎接返回器
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  嫦娥五号返回舱运抵航天五院
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  嫦娥五号返回器

由于长征五号遥五运载火箭入轨精度高，嫦娥五号轨道器省下了200多公斤燃料，轨道器计划使用余下燃料进行一次月球重力助推前往日地拉格朗日点L1点。此次拓展任务目标包括：验证地球—日地L1点转移轨道的设计与控制技术；在日地L1点附近开展长期探测，验证L1点环绕轨道设计与控制技术；对日地L1点附近光照、辐照等环境进行检测，验证相关分系统的适应能力；择机开展日凌期间探测器与地面的测控通信试验。日地L1点探测试验后，将根据轨道器状态和约束条件等情况，酌情开展其他拓展任务[67]。

嫦娥五号的构成图

嫦娥五号由轨道器、返回器、上升器和着陆器组成，总质量达8200千克[68]。

在取样返回任务中，各组成部分发挥了不同的作用[69][70][71][72]：

• 着陆器：在月球表面与月面以下收集月壤样本与月岩样本，收集的样本放置在上升器的容器中；
• 上升器：在着陆器采集样本完成后从月面上升，与轨道器返回器组合体汇合，对接。之后转移样品到返回器，与轨道器返回器组合体分离；
• 轨道器：样本转移到返回器后，携返回器返回地球，到达预定位置释放返回器；
• 返回器：与上升器对接后接收月壤月岩样本，并经过大气层“打水漂”两次再入回到地球。

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[69][73]。

嫦娥五号携带了多个科学载荷，主要包括降落相机、光学相机、月球矿物光谱分析仪、月壤气体分析仪、月壤结构探测仪、采样剖面测温仪、岩芯钻探机和机械取样器[72]。

为避免月球样品受到地球大气、水等环境污染，中国科学院国家天文台建立月球样品实验室，其具备“地外样品”存储、处理和分析能力[74][75]。

中国国家航天局规划绝大部分月球样品将用于科学研究，这一部分样品以位于北京的中科院国家天文台作为主要存储地点，并在毛泽东的故乡湖南韶山进行异地灾备[76]。另外一部分样品将入藏中国国家博物馆，向公众展示，进行科普教育；一部分样品依据国际合作的公约和多边双边的合作协议，与有关国家和世界的科学家共享或作为国礼相送[74]。

2020年12月19日，重1731克的嫦娥五号任务月球样品交接給中国科学院[77]。中国开始首次地外天体样品储存、分析和研究工作，并进行月球样品与科学数据应用研究[78]。

嫦娥五号的采样点为风暴洋东北角的玄武岩区域，在月球表面的风化作用、火山作用和区域地质背景、区域地质演化方面具有科研价值。对月球样品的研究工作包括其结构构造、物理特性、化学成份、同位素组成、矿物特点和地质演化方面[74]。

中国科学院规划在月球样品实验室完成表取和钻取样品的解封、分样和存储，月球返回样品经初步测试分析、描述和建库后，根据授权进行发布，开展长期的实验室研究[74][79]。