我國首艘月球採樣飛船嫦娥五號在經歷火箭發射、星箭分離、地月轉移飛行、兩次中途修正、兩次近月制動、著上組合體與軌返組合體分離後順利完成11大任務階段中的前三大階段。本月1日23時11分，在7500N變推力發動機托舉下著陸器與上升器組合體成功登陸月球正面風暴洋北部呂姆克山脈附近預設著陸區（月球西經51.8度，北緯43.1度），標誌著嫦娥五號距離圓滿完成採樣返回任務又向前邁進了一大步。
嫦娥五號著陸器與上升器組合體成功登月
算上嫦娥三號、四號，這已經是中國航天連續第三次成功實施月面軟著陸任務，登月成功率100%，高居世界榜首。作為探月俱樂部的後來者為什麼我們可以獨領風騷呢？帶著這個問題來感受一下嫦娥五號的落月全過程。
嫦娥五號著上組合體動力下降段是從距離月面15公里高度開始，劃分為主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段共6個階段。
15公里動力下降各階段示意圖
主減速段的任務是依託7500N變推力發動機進行減速制動，使得探測器的速度、高度降至預設值，此階段發動機將以最大推力運行。
月面軟著陸航線是彈道式軌跡，而要想成功抵達地外天體預設著陸區探測器需要知曉位置、速度、姿態角速度等信息，從而由計算機向發動機執行機構注入正確指令。
主減速段主要通過慣性導航測量單元獲取速度、高度、距離等信息，慣導優勢是可靠性高，不易受外界因素干擾，但缺點也很明顯，隨著時間推移累積誤差也會增加，此時就需要引入測速測距修正。
主減速段變推發動機滿功率運行制動減速
為此，嫦娥五號著上組合體與它的前輩嫦娥三號、四號一樣配置了一系列敏感器，有激光測距敏感器、微波測距敏感器、微波測速敏感器，與前輩不同的是嫦娥五號新增設了激光測速敏感器。
激光測距測速
激光測速敏感器應用了上海光機所設計的首個在著陸器上使用的窄線寬光纖激光器，實現了千赫茲量級、低強度雜訊的激光輸出，原理是通過探測激光回波的頻率信息來測量著陸器相對月面的速度，實現了空間應用系統從能量探測模式向頻率探測模式的開拓。
激光測速敏感器激光器
這樣一來就形成了更加完善的空間信息修正體系，激光測距測速與微波測距測速互為備份，敏感器都將在主減速段開機，不過具體何時用於輔助慣導修正數據則各有安排。
激光測速測距敏感器根據以往任務經驗判斷，通常在距離月面12公里高度引入修正，獲取的數據經過計算機加權輔助慣性導航測量單元控制飛行彈道。
整個主減速段著上組合體基本呈水平姿態，彈道也是平緩下降的著陸軌跡。當進入快速調整段時探測器將調整姿態使之接近垂直，此時7500N變推力發動機逐漸降至小推力工況，探測器下落速度也將略有變慢。
7500N變推發動機助力中國航天登月三連勝
經過短暫的快速調整段後著上組合體進入接近段，此時距離月面大致是兩三千米高度，在這一階段探測器將利用光學成像進行「粗避障」，針對航線下明顯的障礙進行機動規避，同時引入微波測距測速輔助導航，由此形成了慣導 激光測距測速 微波測距測速的多波束導航系統，不論是精確度還是冗餘可靠性都達到了一個極大值，此時著上組合體姿態也是接近垂直。
接近段粗避障（嫦娥探月歷史資料）
當著上組合體降至110～90米高度區間時將進入懸停段，此時具有世界領先水平的激光三維成像敏感器發揮作用，它將在不到3秒鐘時間內採用多波束並掃方式完成對著陸區的高精度三維成像。
三維解析度達到0.2米，距離精度優於0.15米，能在0.25秒也就是人眼眨眼時間內對50米×50米區域成像。
激光三維成像與激光測距協同運作
激光三維成像不同於傳統二維成像，每一個像素點都帶有斜距信息，能夠更加精確且立體的感知著陸區障礙，並對成像區域網格化，進而以成像區域中心為起點進行螺旋前進搜索，直至確定安全著陸點。如果沒有理想著陸點，也可以根據坡度與安全半徑加權篩選出最優著陸點。
激光成像網格化快速選定著陸點
中科院上海技術物理研究所研製的激光三維成像敏感器是嫦娥系列著陸器連續三次成功登月的關鍵所在，它不僅是人類首次將機器視覺理念用於地外天體登陸任務，還實現了高重複頻率、窄脈衝寬度、高峰值功率的全光纖激光器在國際上的率先空間應用。
嫦娥五號激光三維成像敏感器
NASA早在本世紀第一個十年就提出研發基於激光成像技術的地外天體登陸ALHAT計劃，但時至今日包括歷次火星登陸任務在內都沒能應用，旅居者號、勇氣號、機遇號三輛火星車乾脆直接使用氣囊著陸方式，避開了著陸末段的精避障環節，但這種方式對探測器登陸重量是一個極大的制約。
氣囊著陸只適合小型載荷
目前在火星運行的好奇號與正在奔火途中的毅力號火星車最終都因為質量較大而放棄了氣囊著陸方式，但它們使用的也都是基於圖像匹配與微波測距測速技術，是落後激光三維成像整整一代的相對導航手段。
有意思的是，當印度月船-2號著陸月球失敗後，NASA負責人也在告誡重返月球任務團隊要認識到登月技術的複雜性。
散落月面的月船-2號殘骸
雖然後者有比較豐富的火星登陸經驗，但在月球登陸領域已經有半個世紀的空白，早期阿波羅飛船使用的登月技術自動化水平非常低，月面著陸區與著陸點的選擇主要靠手動，老一輩專家不是老去就是作古，連登月的相關產業鏈也已經不復存在。也難怪俄羅斯航天專家伊戈爾·利索夫感嘆道，在擁有開發月球計劃的國家中，中國是領先者。
書歸正題，經過數秒懸停段後嫦娥五號著上組合體將進入精確避障段，為節省燃料在這一階段將同步進行精避障與下降機動，它將根據激光三維成像確定的著陸點在水平推力器與7500N變推力發動機共同作用下以垂直姿態進行斜向機動飛行。
著上組合體緩速下降
當探測器由100米下降至著陸點上方30米處時進入緩速下降段，此時由於受發動機尾噴羽流影響將不再引入激光測距測速修正與微波測距測速修正，導航將主要依託慣性測量單元。
在變推力發動機作用下探測器下降速度為2米/秒，當下降至距離月面2米高度時伽馬關機敏感器將收到信號進而關閉主發動機，最後的著陸能量由四條緩衝著陸支撐腿吸收。
嫦娥五號降落相機拍攝著陸畫面
在整個降落過程中降落相機、金牌數傳子系統也將全程開機，後者將把著陸器登月全過程產生的所有數據實時回傳地球。
月面軟著陸從來不是一件易事，縱觀世界航天史登月任務歷來是成敗各半，成功率長期在51%的低位運行。
以蘇聯為例，該國曾實施過3次成功的月面採樣任務，但鮮為人知的是它還有8次失敗的月面採樣任務，在這總計11次的採樣返回任務里，成功了就冠以正式任務代號「月球」，失敗了則低調處理或者被安排進「宇宙」系列任務中。
蘇聯首次成功採樣前失敗了5次
以2000年為分水嶺，人類登月事業原本在嫦娥三號、嫦娥四號兩次任務加持下一直保持著100%全勝戰績，但2019年以色列創世紀號、印度月船-2號兩次登月任務相繼失敗，使得成功率斷崖式滑坡至50%，而此次嫦娥五號的圓滿登月又使得這一百分比再度回升至60%。
在筆者看來嫦娥系列探測器之所以能夠保持100%登月成功率離不開五大保障，分別是，強大的綜合國力保障、全球最齊全工業門類保障、科學發展規劃保障、勇於創新的開拓精神保障、系統完善的地面試驗保障。
與嫦娥5號同在月面工作的嫦娥4號著陸器
正因為有了強大國力我們才能有充沛的財力、人力、物力等資源投入到宇航事業中，嫦娥探月作為與載人航天齊名的戰略級航天工程從一開始就確立了科學的繞、落、回三步走發展戰略。
在此框架下連續取得了嫦娥一號、二號、三號、五號T1、四號5次任務五戰五捷的驕人戰績。環月探測、地月直接轉移飛行、月面軟著陸、月地軌道再入返回、月背探測，五次任務成果銜接有序，這才迎來了嫦娥五號登月任務三連冠的高光時刻。
嫦娥三號部署月面7年，至今仍有載荷處於工作狀態
全球最齊全工業門類能夠孵化琳琅滿目的貨架技術與產品，從而確保我們可以走上獨立自主的發展道路，自錢學森時代航天人就確立了絕不把問題帶上天的嚴慎細實作風，又促使我們打造了極盡完善的地面試驗系統。
比如，為了拿下人類首次深空軌道交會對接技術，我們建設了全球最大規模的對接試驗設施，為了掌握地外天體軟著陸技術，又建設了最完善的塔架試驗設施，諸如此類案例不勝枚舉。
嫦娥五號交會對接系統地面試驗
勇於創新更是嫦娥探月工程的內核之一，嫦娥五號作為已經封存三年的探測器放在今時今日依舊應用了一系列具有世界領先水平的尖端技術產品。探測器系統總師楊孟飛對此早有論述，他說，我們要對得起國家的重託，要站在人類航天文明的基礎上來開展工作，要體現技術在未來一段時間的先進性。
縱觀嫦娥探月工程三次月面軟著陸，任務複雜度最高的還不是嫦娥五號，而是嫦娥四號的月球背面軟著陸任務。
鵲橋中繼衛星
月背登陸首先要解決測控通信難題，為此專門研發了鵲橋數據中繼衛星，而為了部署這顆衛星不僅設計了一條複雜的月球借力軌道，嫦娥五號T1也曾專門為鵲橋衛星探路地月拉格朗日L2點halo使命軌道。
攻克月背測控通信難題後，嫦娥四號登陸的月背南極艾特肯盆地馮卡門撞擊坑著陸點有著相對高度達萬米的落差，因此嫦娥四號不能像嫦娥三號與嫦娥五號那樣採用平緩的著陸彈道，而是以接近垂直的彈道下落。
嫦娥四號著陸點萬米落差
嫦娥三號是在距離月面3公里處才開始以垂直姿態下落，而嫦娥四號要在距離還有8公里的高度就以垂直姿態下落，為了滿足高高度垂直降落需求，7500N變推力發動機又進一步改進優化了比沖性能。彈道的變化也促使降落導航演算法的改變與優化，加上中繼通信面臨著幾十秒量級的延時，對嫦娥四號自主管理能力提出了更高要求。
根據嫦娥四號回傳圖像分析，著陸點周圍分布著大大小小的數個月球坑，證明探測器自主避障系統不僅闖過了萬米高差的複雜月貌難關，更克服了局部複雜月面著陸難關，標誌著我們正在形成全月面到達能力。
嫦娥四號搭載的玉兔二號月球車
嫦娥五號著上組合體與嫦娥四號相比，雖然登月任務複雜度大為降低，但探測器的設計與製造難度卻陡然增高，具體而言就是減重難題。
著陸器需要背負比玉兔二號月球車重數倍的月面起飛上升器，加上一百多公斤重的岩心鑽探機與表面採樣機械臂，如此一來留給其他系統的重量空間則大為減少。
嫦娥五號發射質量8.25噸
例如，前文提到的三維成像激光器就需要減重20%，著陸器4台金屬膜片貯箱也被更輕質的4台表面張力貯箱替代，進一步減重約26公斤，幾乎所有分系統都進行了不同程度的減重瘦身，甚至去除了一些冗餘備份設備。
嫦娥五號著上組合體的控制系統並不在著陸器內，而是被整合進上升器內，後者在執行月面起飛任務時同樣需要一套控制系統，與其設計兩套相互獨立的控制系統不如兩器共用一套，也能滿足減重需求。
嫦娥五號上升器熱試驗
嫦娥五號受工程總體約束雖然有非常嚴苛的減重要求，但卻是「量減而質不減」，基於月面採樣、月面起飛兩大任務，要求著陸點有足夠的平整度，因此在一系列減重背景下我們仍然給著陸器增設了具有國際領先水平的激光測速敏感器，可以為著陸行動提供更加精確的導航指引。
激光測速敏感器
中科院上海技物所抓總研製的激光測速器實現了國際首次在月球探測器軟著陸階段使用激光多普勒測速技術進行三個正交方向速度測量，而這又是一個創舉。
至此嫦娥五號勝利完成了11個重大任務階段中的前4個，接下來就是為期48小時的月面採樣工作，而這又將是另外一系列具有世界領先水平裝備的全面考驗，巔峰高地將在下一篇文章中重點分析。
月面採樣
當嫦五返回器歸來之日，整個世界都將為之傾倒，而這也只是我們書寫太空歷史的一個開篇序幕。若干年後我們也將對後輩講述這段屬於中國人的輝煌航天史，能成為見證者這已經是莫大的榮光。