嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器等组合而来。其中轨道器主要负责嫦娥五号往返月球期间的动力、能源、导航制导与控制，是地月转移、轨道修正、近月制动、环绕月球、组合体分离、交会对接、月地转移、返回器再入等重要环节的核心，是整个嫦娥五号月球采样返回任务能够成功的最大功臣。 嫦娥五号主要组成部分 轨道器的所有预设功能都围绕嫦娥五号任务，理论上讲，当在地球附近与返回器成功分离后它所有的功能使命已宣告结束，答完了所有的＂必答题＂。然而，飞控专家们认为轨道器依然＂学有余力＂，临时给它出了一个高难度的＂附加题＂。目前的第一个＂附加题＂就是飞往日地拉格朗日L1点。 一、为什么轨道器还能继续做＂附加题＂？ 嫦娥五号总重8.2吨，推进剂是最主要的重量组成部分。四个飞行器都带有用于轨道姿态控制的发动机和推进剂，其中轨道器任务最多最复杂、携带的发动机最多、推进剂最重。因而，轨道器在完成使命后依然能解答＂附加题＂最核心的原因在于：依然有大量推进剂剩余，且所有分系统和元器件工作状态良好，依然＂元气满满＂。所谓＂巧妇难为无米之炊＂，而如果手里依然有足够多的米，巧妇当然能做很多事情。 嫦娥五号发射瞬间 本次长征五号火箭遥五任务发射，成功抓住了最完美的一条奔月轨道，且各级火箭的工作状态、末级滑行、多次启动精度都与理论设计分毫不差。长征五号火箭最终入轨精度极高，是历次发射表现最好的一次，总师李东在发射后也自豪的形容这次发射＂正中十环＂。入轨精度高，意味着嫦娥五号四器组合体在发射初期并不需要进行复杂的轨道修正，能节约大量宝贵的推进剂。 飞往月球过程中，嫦娥五号轨道器仅进行了两次轨道小修。一方面理论轨道和实际轨道一定存在偏差、需要修正，另一方面也是全方面检验轨道器推进系统在深空中的实际性能是否符合预期。2020年11月24日，在距离地球约16万千米的位置，3000牛顿发动机工作约2秒钟。11月25日，在距离地球约27万千米的位置，两台150牛顿发动机工作约6秒钟。由于入轨和两次微调精度都很高，原计划的第三次轨道修正被取消。 轨道器和返回器组合体与上升器分离后，启程返回地球 在从月球返回地球途中，轨道器两次工作的入射精度也极高，进一步导致后续的轨道修正量很小。12月14日，两台25牛顿发动机工作约28秒钟。12月16日，再次工作8秒钟。这些作用力，对于重达数吨的组合体而言，可谓蜻蜓点水的力道，让嫦娥五号在太空中＂凌波微步＂。 根据中国运载火箭技术研究院公布的数据，长征五号火箭为轨道器节省了大量推进剂，用于轨道修正的推进剂实际仅消耗了原计划的0.3%，最终还剩余200多千克推进剂。因此，轨道器在2020年12月17日完成全部任务后，变成了自身质量轻、带有多种规格发动机的新＂火箭＂。由于它是从月球返回，逼近地球时速度会达到第二宇宙速度左右，这足以让它轻易摆脱地球引力影响。它自带通信模块、各种传感器和光学成像设备等，也能执行深空探测器的部分功能。 综上，嫦娥五号轨道器，有足够能力继续做＂附加题＂。 二、为什么选择日地拉格朗日L1点 宇宙中任何一个天体都是引力源。理论上，一个天体的引力影响范围是无限的。然而在实际情况中，两个天体总会互相影响，导致各自拥有一定的引力主导范围。太阳占据了太阳系总质量的99%以上，是系内绝对的引力主导，它会压缩地球等行星的引力主导范围到一个定义为＂希尔球＂的空间内。例如，地球的希尔球半径约为150万千米，仅约为地球到太阳平均距离的1%。只有在其他天体进入希尔球后，地球才可能将它俘获为自己的卫星。 在地球和太阳角力过程中，一定存在几个重要的点，使得太阳和地球的引力影响达到近乎平衡，运动在这个点的天体或卫星能够非常稳定地相对太阳和地球运动，相对静止。假设为二维场景下，这样的点有五个，它们又被叫做拉格朗日点。两个与地球希尔球接近的点，就是L1和L2。 日地五个拉格朗日点示意图（图片来源：Xander89©️CC BY 3.0） L1和L2点距离地球约为150万千米，且处在太阳-地球连线上。嫦娥五号轨道器前往的就是L1点。这个点在地球和太阳中间，随着地球一起运动且与地球公转周期完全一致，相对太阳和地球静止。因此，可以实现非常稳定的对地球和对太阳长期观测，是太阳望远镜、地球磁场和太阳风等科研类航天任务的理想位置。例如，著名的太阳和日球探测器（SOHO）、深空气候天文台（DSCOVR）和先进成分探测器（ACE）等任务都运行在这里。 需要说明的是，宇宙中不可能仅有两个天体互相影响，也不存在纯粹的二维环境，这些点并不真实存在、仅是理论值，与L1点通信也会受到太阳辐射的持续干扰。因而实际环境中，航天器并不会定在这里，而是在附近保持周期性的利萨如或晕轮轨道运动等，但总体上维持轨道的推进剂消耗量极少。嫦娥五号轨道器也会如此。 鹊桥号运行在月球背后的地月L2点 地球和月球也会存在一系列拉格朗日点。例如，鹊桥号一直在围绕地球和月球的L2点工作，在这里能实现地球和月球背后的稳定通信，为人类唯一成功着陆月球背后任务的嫦娥四号和玉兔二号服务至今，也成为它们不断突破工作记录的核心保障。鹊桥号的推进剂消耗量很小，即便距离发射（2018年5月21日）已经过去了两年多时间，依然状态良好、预计能继续长期工作下去。 因此，嫦娥五号轨道器将全面验证中国航天器前往日地L1点的轨道设计和控制技术，探测期间检测L1点附近光照、辐射和空间天气情况，进行深空网的测控通信试验等。在未来取得成功后，如果轨道器继续＂学有余力＂，航天人还将酌情为它进一步设计新的＂附加题＂，发挥出远超预期的效果。 这已经不是嫦娥探月工程第一次做＂附加题＂，早在2010年发射的嫦娥二号，就在探月任务结束后，实现了人类探测器首次从月球前往日地拉格朗日L2点，又实现了人类首次近距离飞掠图塔蒂斯小行星，最后继续飞入深空创造了当时的中国深空探测最远记录。 可以说，嫦娥探月工程背后的中国航天人，一直是做＂附加题＂的＂超级学霸＂。