北京时间2020年11月24日中国大陆国家航天局在海南省文昌航天发射场，以长征五号遥五运载火箭发射探月工程嫦娥五号探测器，将探测器送入预定轨道，开始地球外天体采样旅程。返回器于12月17日顺利降落在预定地点内蒙古四子王旗。前后23天的探月工程，成功完成我国首次地外天体采样返航，带回月球土壤1,731公克。目前月壤已转移中国科学院进行后续科学分析研究，预计对太阳系天体形成及演化历史的基本认识有重大贡献。本文将回顾嫦娥五号月面采样之旅及其科学技术意涵，并且探讨此成就对我国国家发展和世界格局铺陈的意义。
一、探月简史
从1969到1976年美国的六次阿波罗任务和苏联的三次月球号任务已带回月球表面九个区域，共计382公斤的月球岩石和土壤样品。美国阿波罗任务以载人航天累计自月球运回381.7公斤样品，苏联依靠无人航天共带回301公克。美国和苏联在1970年代后由于各种原因，至今未再有月球采样任务。嫦娥五号任务成功后，中国成为全球第三个自月球采样返回的国家。这距离人类上次自月球采样回地球已44年。
中国探月工程2004年正式立项，命名为「嫦娥工程」。嫦娥工程是无人月球探测计划，分绕、落、回三步走。首先「绕」，目的是研制和发射月球探测卫星，实施绕月探测，由嫦娥一、二号分别于2007及2010年完成。其次「落」，在月球首次进行软着陆和自动巡视勘测，由嫦娥三号、T1再入返回试验1、嫦娥四号分别于2013、2014、2018年达成任务。最后「回」，进行首次月球样品自动取样返回探测，刚由去年的嫦娥五号完成任务。
二、嫦娥五号探测器
嫦娥五号探测器包含四个部件，由下而上包括轨道器（或称环绕器）、返回器、着陆器、上升器等（见下页图一），总重达8.2公吨，高超过七米。因此须要仰赖我国迄今为止最大的运载火箭──长征五号遥五运载火箭（图二），才能将探测器送入预定轨道。到了月球轨道之后，着陆器上升器组合体（简称着上组合体）将登月采集月球土壤样本，而轨道器返回器组合体（简称轨返组合体）继续环绕月轨道飞行待命。最后将只有返回器携带月壤样品返回地球表面。
三、嫦娥五号探月过程
嫦娥五号是迄今为止中国大陆最复杂的探月任务。它从地球起飞，到月球采样再返回。整个过程主要可以分解成八个步骤，每一个步骤又包括无数更细微的小步骤。任何一步都仰赖前一步的成功，最终才能达成探月采样返回任务。任何一步的失误都可能导致任务失败。因此嫦娥五号探月采样返回任务的成功是非常可贵、值得国人自豪的成就。
嫦娥五号探月采样返回任务可以分解成八个子任务：发射火箭从地球升空、从地球上空飞到月球上空、着陆在月球表面、在月球表面采样、从月球表面起飞、月轨无人自动交会对接和样品转移、从月球上空飞回地球上空、把样品投递回地球表面等。详述如下。
1. 发射火箭从地球升空：
11月24日4时30分，长征五号遥五运载火箭在我国海南文昌航天发射场点火升空，将嫦娥五号探测器运送到地月转移轨道。
2. 从地球上空飞到月球上空：
嫦娥五号探测器将依序进行两次轨道修正，两次近月制动。
24日22时左右，嫦娥五号探测器第一次修正轨道，弥补运载火箭发射入轨的误差。同时也在该修正过程中验证探测器上3000牛2推力主发动机的性能。这个发动机将在后续近月制动，和返回地球轨道的过程中使用。它的性能达标否攸关此次任务的成败，因此第一次轨道修正也是最重要的一次。
25日22时6分，嫦娥五号探测器两台150牛发动机工作约6秒，顺利完成第二次轨道修正。到第二次轨道修正为止，嫦娥五号探测器已在轨飞行约41小时，距离地球27万公里。
28日20时58分，嫦娥五号探测器经过约112小时飞行，在距月面400公里处3000牛发动机再次点火，约17分钟后正常关机。这是第一次近月制动。发动机帮嫦娥五号探测器「刹车」，减速后顺利进入环月轨道。这次近月制动降低原本高速飞行的探测器的速度，使探测器速度低于月球逃逸速度3，从而可被月球引力场补获。
29日20时23分，嫦娥五号探测器在近月点4实施第二次近月制动「刹车」，探测器从椭圆轨道进入圆形环月轨道。
3. 着陆在月球表面：
30日轨道器返回器组合体与着陆器上升器组合体受控分离。着上组合体稍后将在月面软着陆，而轨返组合体继续留在环月轨道等待上升器。
12月1日23时11分，在7500牛变推力发动机（图三）减速制动下，着上组合体成功登陆月球正面风暴洋北部吕姆克山脉附近预设着陆区（月球西经51.8度，北纬43.1度）。着上组合体动力下降段从距离月面15公里高度开始，划分为主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段等六个下降运动阶段（图四）。
着上组合体动力下降过程中，将有约430公里的水平移动。在主减速段，着上组合体运动主要是依赖惯性导航测量器件的引导。为修正惯性导航测量器件随开启时间增加而累积的误差，嫦娥五号着上组合体除了和嫦娥三、四号一样配置了一系列敏感器：包含激光测距敏感器、微波测距敏感器、微波测速敏感器等。嫦娥五号还新增了激光测速敏感器。形成了「惯性+激光测距测速+微波测距测速」多波段导航系统，增加冗余度5以提高月面着陆的可靠度和精确度。
当着上组合体降至离月面100至90米高时，组合体进入悬停段。此时我国具有全世界领先水平的「激光三维成像敏感器」开始工作。它采用多波束并行扫描方式完成对着陆区的高精度三维成像。三维分辨率达0.2米，距离精度优于0.15米，能在0.25秒内完成50米x50米区域的成像。依赖激光三维成像，着上组合体得以快速选定着陆点。（美国NASA在本世纪第一个10年提出这个技术，但至今未能投入实际应用。）
4. 在月球表面采样：
2日22时，经过19小时的月面工作，着陆器顺利完成月球表面土壤自动采样。着陆器设计了两种采样方式：一种是钻取采样，计划将钻孔钻到月面以下2米深的地方，采集岩芯样本。钻取采样的优点是月岩月壤层区分布得以保留。另一种是机械臂采样，用机械臂的头部铲取月球表面的土壤。着陆器成功完成这两种方式的采样。所有样品真空密闭封装保存在上升器携带的储存装置中，以保护样品不受外界环境影响。
5. 从月球表面起飞：
3日23时10分，上升器月面点火，3000牛发动机工作约6分钟后，顺利将携带月壤的上升器送到预定环月轨道，成功实现我国首次地外天体起飞。
点火起飞前，着上组合体实现月面国旗展开。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的「独立展示」。上升器着陆器分离后，上升器上升，着陆器留在月面。上升器经历垂直上升、姿态调整、轨道入射三个阶段，进入预定环月飞行轨道。
上升器月球表面起飞面临比地面火箭起飞更复杂的挑战。一、上升器起飞是以着陆器为发射架。因为着陆区域的高低起伏，发射平台可能不是水平的。二、发射前准备时间不如地面发射充裕。三、喷射气流导引比地面发射面临更多变数。
6. 月轨无人自动交会对接和样品转移：
6日5时42分，上升器成功与轨返组合体自动交会对接，并于6时12分将月球土壤样品容器安全转移至返回器中。这是世界首次实现月球轨道无人自动对接和样品转移。
上升器和轨返组合体月球轨道对接和样品转移过程包括捕获、收拢、转移等步骤。在距离地球38万公里外的月球轨道，地面控制讯号往返月面有时延6，而月轨上的上升器和轨返组合体相对于月面而言，是处于高速运动的状态，使得地面控制无人对接变得不可行。因此从启动开始到完成交会对接，必须全部采自动控制，由上升器和轨返组合体自动完成。对接全步骤要在21秒内完成：1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。接着，样品转移和自动对接任务一气呵成。
7. 从月球上空飞回地球上空：
嫦娥五号轨返组合体在返回地球前，依序将进行两次月轨制动、两次月地轨道修正。概念上是子任务二从地球上空飞到月球上空的反操作。
12日9时54分，嫦娥五号轨返组合体经历了约6天的环月等待，实施第一次月球地球轨道转移入射，轨返组合体加速，从近圆轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。
13日9时51分，轨返组合体实施第二次月地转移入射，在距月面约230公里处成功实施四台150牛发动机点火，约22分钟后正常关机。轨返组合体再次加速，成功进入月地转移轨道。
14日11时13分，轨返组合体上的两台25牛发动机点火工作约28秒，顺利完成第一次月地轨道修正。
16日9时15分，轨返组合体上两台25牛发动机再度点火，工作约8秒，顺利完成第二次月地轨道修正。从此，轨返组合体就在直奔地球的路上了。
8. 把样品投递回地球表面：
17日凌晨1时许，北京航天飞行控制中心通过地面测控站，向嫦娥五号轨返组合体注入高精度导航参数。之后，轨道器与返回器在距南大西洋高约5,000公里处正常解锁分离，轨道器按计划完成规避机动，避免两者分离后相撞。
凌晨1时33分，嫦娥五号返回器在距离地面120公里处，以接近第二宇宙速度7高速进入地球大气层，实施初次气动减速。下降到预定高度后，返回器向上跃出大气层，到达最高点后再开始滑行下降。返回器再次进入大气层，实施第二次气动减速。在降至距地面10公里高度时，返回器打开降落伞完成最后减速并保持返回器姿态稳定。
12月17日1时59分，探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志我国首次地外天体采样返回任务圆满成功（图五）。
四、返回器「半弹道跳跃式再入」
嫦娥五号返回器返回地球时，以接近第二宇宙速度的极高速度进入地球大气层。上述返回器减速、跳跃出大气层、再入大气减速的返回方式称为「半弹道跳跃式再入」，也有人暱称它为「打水漂」。这种返回器再入方式值得进一步说明。
嫦娥五号返回器进入大气层后，能利用调整自身重心位置的方式，调整飞行姿态，以增加在大气层运动时的升力，达到某种程度上控制返回仓运动轨迹及「跳跃」的目的。相对于某些无调整控制机制的返回仓的「弹道」再入，嫦娥五号返回器的返回方式是「半弹道」再入。
倘若考虑其他应用，须要增加飞行体受控程度，可以在返回仓加上一对「小翅膀」。这样的「返回仓」就有些貌似东风十七高超音速导弹（图六）。但嫦娥五号返回器和东风十七导弹有一个重大差别，前者在后段飞行以降落伞减速，而后者配备了「冲压发动机」进一步增加飞行速度。
「跳跃式再入」的返回仓可以在水平方向快速地移动巨大的距离。以嫦娥五号返回器为例，在半小时不到就飞过了近半的地球。东风十七导弹也许有类似返回器的「跳跃」能力，个头不用太大就可以高速飞行长距离。
这种有力的军事应用，必须牢牢地掌握在有理有节的仁义之师—中国人民解放军的手上，人类和平稳定发展才有充分保障。
五、嫦娥五号探月科学意义
想像如果没有直接来自月球的土壤样本，科学家只能通过月球探测器遥感探测，或在地球上分析月球陨石等间接方法来了解月球。如果有直接来自月球确定区域的土壤样本，科学家能够全方位地研究月球物质，而更直接地了解月球和太阳系。因此，嫦娥五号采集回地球的月球土壤样本非常珍贵。
现今科学家对太阳系历史的理论较被接受是「晚期重轰炸」假说，也称「月球灾难」。约于38至41亿年前，由于当时巨大新星（如太阳系的木星和土星等）的形成与迁移，宇宙混沌一片碎石乱飞，对类地星球（如地球、水星、金星、火星等）和月球形成大量撞击坑。后来随着太阳系的演化，行星运动趋于较稳定，因而撞击事件减少。倘若这个天文假说正确，我们可以推论：太阳系类地星球及其卫星上局部撞击坑的密度和该局部区域的地质年龄有一定的关系。
科学家对自月球取回的土壤样本以碳放射性定年，再计算取样区域的撞击坑数目（除以该区域面积），就可以把这条关系曲线画出来（如图七的右图，其中1Gyr即10亿年）。得到这条曲线后，人类还未能登陆取样的类地星球的区域地质年龄，就可以通过光学望远镜或其他手段，观测区域撞击坑密度，再对照关系曲线就可得知。因此，一点都不夸张地说，该关系曲线的正确性攸关人类对太阳系历史的了解。
但是美国和苏联多次取回的样品，大都集中在月球中低纬度的月海区域，其地质年龄集中在42至32亿年前。目前撞击坑密度与地质年龄的关系曲线就是由这些样品「预测」的。可想而知，这个用以了解太阳系历史的基本关系曲线，还缺乏较年轻月壤样本的支持。这也显然意味着，人类对月球的认识不论在空间还是在时间上，都是极其不全面的。
嫦娥五号探测器登陆在月球正面风暴洋北部的吕姆克山（Mons Rumker）附近，并在那里采集月壤。这一带远离美国阿波罗和苏联月球号的采样区，有丰富的火山活动遗迹和可能与之前样品不同的岩石类型。吕姆克山周围有非常年轻的月海玄武岩覆盖区域，因此嫦娥五号可能采集到形成于20至10亿年前的年轻岩石土壤样本。这将填补月球地质定年和年代划分上的空白，对人类了解月球和太阳系有极大的贡献。
嫦娥五号达成两个科学目标。一、在探测器降落区域探测月球地质；二、携带探测区域的土壤样本返地。 结合月面探测和地面实验室研究分析同区域的月壤，科学家方能完整了解月球地质讯息。
六、「不积跬步，无以至千里」
嫦娥五号月球采样返回计划是迄今为止我国最复杂、最困难的空间任务。如前文所述，嫦娥五号探月过程可以分解成八个子任务。嫦娥五号探月任务虽然复杂，但其中很多步骤在我国其他类似航天任务也有过成功的经验，是之前航天任务的集成。嫦娥五号任务也有几个独特的创举：一、首次月面采样；二、首次月面起飞；三、首次月轨无人交会对接；四、首次带月壤以近第二宇宙速度返回。
这次长征五号火箭的发射非常精准，为轨道器省下可观的燃料。因此，轨道器和返回器分离后，已在以近第二宇宙速度奔向额外任务的途中。此外，还有两个亮点。一、有别于之前的嫦娥任务，这次探月转播视频有许多是即时的。这表示这段时间，我国除嫦娥工程的发展，深空测控能力及空间卫星配置也已更为完善了。二、嫦娥五号月球采样返回任务，已具备许多阿波罗载人航天的任务步骤。因此，嫦娥五号的经验也将有助于尔后我国的载人航天任务。
回顾《科学发展报》2005年7月新闻，当时报导了中国大陆2004年立项绕、落、回三步走的探月工程计划，将在2020之前把月球样品采回地球。同一天也报导了美国、俄罗斯、印度、日本等国家规划的探月登月计划。但15年过去了，只有中国大陆如期完成了预订计划。这之间还因为等待长征五号运载火箭以908天完善，而经历了两年的推迟。
中国大陆航天事业自始至终都是在外国技术封锁的条件下独立发展的。最近的一个事例就是，2019年10月在美国华盛顿特区举行的第70届国际宇航联合大会，美国政府以未及时发放签证的无耻手段，阻止中国大陆代表团参与。一个向全球公开的国际会议尚且如此，其他的讯息技术的封锁就可想而知了。
我国探月工程的总体规划有三大工程目标。一、突破月球采样返回相关技术。二、实践月球采样返回。三、完善月球探测体系，为以后的探月任务铺路。航天工程始终是高风险的工作。嫦娥五号的成功，确认技术方案的可行性，及其质量的稳定性。因此，嫦娥五号不仅是今天一个成功，也是未来的开始。
「不积跬步，无以至千里」。嫦娥五号探月所以能刷新人类无人月球采样返回任务新记录，是因为经历15年的人才培育及关键技术累积。我国航天事业持续成长壮大，才能破除帝国霸权的图谋，对全人类知识与和平发展起根本的贡献。
七、结语
中国大陆探月工程虽然起步较晚，但能长期按部就班稳健地前进，实践新一代航天人的锻炼培育和关键技术的积累。我国航天事业何以可以独立行远自迩，是个值得探讨的问题。
首先，大型的科学技术发展要有成果，必须是经历长期的累积。而长期累积必须有持续的高阶人才和资金的投入，人才和资金得力于教育和经济的良好铺垫，最终须要稳定的政治环境。因此，政治的稳定是科学技术得以发展积累的必要条件。脱离了稳定的政治，大型的科学技术计划相当于离开了发展的土壤。
对照于以两党选举决定最高领导人的国家，这个道理就更明白了。近年来，这类体制的主要国家的国家政策，因为政党更替而摇摆不定，因而大型的科学技术计划无法持续。其中，美、俄、印、日等国15年前的探月登月计划，只见宣传而不见任何执行就是一例。反观中国大陆的一党政治，国家政策反而持续稳定，这是大型科学技术计划得以持续并且开花结果的必要条件。
中外政治思想的差别极大，中西方认定「政党」的意义也有根本的差异。西方的政党政治，在现实的实践中常沦为各政党为「一党之私」而你争我夺，无视人民的共同利益。中国人的政党概念则须远溯自儒家思想。《论语‧卫灵公》：「君子矜而不争，群而不党」，中国人长久以来有「君子群而不党，小人党而不群」的优良传统。中国大陆现今的一党政治，就是朝这个理想前进，这个党是以「民本」为核心思想的「全民政党」。
其次，中国大陆航天人和其他科研工作者，普遍有必须独立自主的深刻体验。这当然是中国人经历残酷的历史教训，以无以伦比巨大的代价学来的。毛主席建国时「对独立自主的强大精神追求」，不只表现在政治上，也传承给一代代有担当的科技人。科技人有这个追求独立自主的基因，必能奋斗不懈不忘使命。因此，追求独立自主也是我国大型科学技术计划成果，得以累积发展的必要条件之一。
最后，大型科学技术计划目标的正确制定也是成功的关键。错误的目标不只难以达成，也是国力不必要的耗散。科学技术计划目标的制定必须客观并且合乎科学和经济规律，更重要的是其最终目的要「以民为本」。
回顾美俄的探月、登月史更可以了解，民本思想对大型科学技术计划目标制定的重要。不论起始的动机为何，美俄探月登月最终沦为冷战时期，争夺世界霸权的手段。因此，只要霸权格局走势大致确定，想要持续探索宇宙的动力和企图就分散减弱了。这可以解释美俄探月计划在高峰之后，就停顿了近半世纪。目标格局短浅的科学技术计划毕竟只能服务于特定图谋，无以致远。
由这次中国大陆在嫦娥五号探月工程的成功，我们学习到的不只科学技术知识，也略见我国国家发展和世界格局铺陈的关联。
中国大陆以「民本」为理想的一党政治，给有担当的科学技术工作者，提供一个可以持续独立自主发展并积累成果的稳定平台，最终目的不在追求霸权，而是为谋求「以全体人类为本」的大同和谐世界而努力。虽然我们以全人类为胸怀，但必须立足于民族，否则无实践的施力点。从这里出发，就可以了解我国现今「人类命运共同体」意识和「一带一路」倡议的意涵。西方可能一时无法理解中国的胸襟与思想，但只要如嫦娥五号这样的成果一再发生，最终中国人的行动是可以改变西方人思想的。 
