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一件来自月亮的快递

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星球研究所 显示全部楼层 发表于 2022-11-11 23:37:18 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
2022年11月8日

第14届珠海航展如期而至

歼-20、运-20、C919等

各式大型飞行器惊艳亮相

其质量往往达到数十吨、甚至上百吨

(请横屏观看,珠海航展航拍,摄影师@盘家灿)


与此同时

正在现场展出的

还有一件“不起眼”的展品

它的质量仅仅只有0.049克

差不多一粒小麦的重量

但价值却完全无法估量

因为它是

由我们的嫦娥五号飞越76万公里

从月亮带回的一件“快递”

它就是

月壤

(珠海航展国家航天局展区正在展出的月壤样品,摄影师@盘家灿,标注@刘志鹏/星球研究所)

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就在2年前

历经23天的远征

嫦娥五号载着1731克月球样品

重返地球

是的

1731克

相当于10个苹果的重量

但迄今为止再没有什么比这

更艰难、更复杂、更光辉的

“快递”使命了

(长征五号火箭搭载嫦娥五号探测器发射升空,形成一道光束直冲云霄,摄影师@郭煜坤)

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要知道40年前

美国曾向我们赠送月球样品

其重量仅为1克

中国科学家需要研究样品

却只能分得其中的0.5克

今天

1731克样品

已经陆续分配给

国内67家科研机构进行科学研究

帮助中国科学家打开全新的星际探索旅程

(国家博物馆展出的月球样品001号,样品重量为100克,摄影师@张本志)

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而在这背后

实则是一场穿越星际的

伟大接力

01 跨越76万公里的接力

2020年12月17日

内蒙古四子王旗

荒无人烟的戈壁上

只有料峭的寒风久久回荡

直到一声巨响划破夜空

一个钟状的金属容器

搭乘着巨大的降落伞

回到地表

它浑身黢黑、伤痕累累

仿佛一名出征归来的英雄

被迅速赶来的人们热情包围

(嫦娥五号返回器返回现场,图片来源@国家航天局)

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为了避免“着凉”

人们甚至还为它贴了

满满一身暖宝宝

(最高端的设备,往往只需要最朴素的保暖方式。当时内蒙古夜间温度达到零下三十度,工作人员担心返回器内剩余推进剂冻住后不好排出,便为它贴满暖宝宝用于暂时保暖,摄影师@李淑姮)

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它成功带回了中国人自行获取的

1731克月壤

但和它一同出征的“战友们”

却再也没有机会回到地球家乡

(2020年12月17日,嫦娥五号返回器空运场景,摄影师@崔建平)

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其中就包括

负责月表采样的着陆器

完成样品交接的上升器

负责往返运输的轨道器

它们和护送月壤回到地表的返回器

一起组成了嫦娥五号

共同接力完成了在地、月之间

往返飞越76万公里的距离

(嫦娥五号结构示意,制图@李炎&王申雯/星球研究所)



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作为当前中国结构最复杂体型最大的月球探测器它高7.2米、重8.2吨相当于近7辆小轿车的重量而想要把这样一个庞然大物送入轨道必须使用中国最强大的火箭

于是

2020年11月24日凌晨4时30分

长征五号运载火箭

在巨大的轰鸣中腾空而起

一场太空接力正式开启

(长征五号运载火箭拖着明亮的尾焰划破夜空,摄影师@陈肖&肖海林)



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36分钟后

在距离地表300公里的高空

“长五”和“嫦五”就此挥别

(嫦娥五号与长征五号分离示意,视频来源@纪录片《我们的征途》)

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而嫦娥五号将继续它的旅途

经过5天昼夜不停的飞行

长途跋涉38万公里

最终抵达月球上空

成为一颗绕月飞行的卫星

随后

这支远征队兵分两路

其中一路是

月表采样队

由着陆器和上升器组成

它们在2次减速降轨后

下降到距离月表15公里的上空

紧接着

29台发动机

有序启动、调整姿态、减速下降

7台着陆敏感器

实时拍摄、计算分析、避开障碍

能否成功着陆

胜败在此一举

(嫦娥五号着陆过程场景示意,制图@李炎&王申雯/星球研究所)

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终于

14分钟后

着陆器成功落月!

尽管此时

它的周围一片沉寂

但38万公里外的地球上

人们早已欢呼雀跃、激动不已

(嫦娥五号返回器成功降落内蒙古四子王旗时,指挥大厅内众人鼓掌的画面,非嫦娥五号着陆月球时现场画面,此处仅作示意,摄影师@张高翔)



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然而

着陆器的使命并未结束

经过短暂的检测和休整后

它便立刻挥舞着钻头和铲子

双管齐下

先用钻头深入月面之下钻取深层样品

再用铲子在月面之上铲取表面样品

经过19个小时的取样

珍贵的月壤便被尽数封装于样品容器中

(嫦娥五号着陆器采样示意,制图@李炎&王申雯/星球研究所)

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而在这之后

它将把任务交给下一位队员

上升器

自己则永远留在了月表之上

继续进行科学探测

这枚上升器

将带着月球样品离开月表

但此刻它却并未立即起飞

而是在静静等待

直到十多个小时后

由轨道器和返回器组成的

太空运输队

经过它的上方

上升器立即点火、一飞冲天

(嫦娥五号上升器月面起飞示意,制图@王申雯&李炎/星球研究所)

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它们一大一小、一前一后、一追一赶

距离也从50公里变成100米

50米

10米

5米

0.5米

就在彼此靠近的一刻

后方的“太空运输队”

张开“手臂”牢牢抓住上升器

并将样品揽入自己的“怀抱”

(嫦娥五号交会对接示意,素材来源@国家航天局,标注@王申雯/星球研究所)

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随后

这支太空运输队

将带着月壤再次飞越38万公里

回到地球家园

而完成使命的上升器

则将目送它们的背影

坠毁月球、销声匿迹

但它们来不及悲伤

5天后

太空运输队来到

距离地表5000公里的高空

轨道器的使命也随之结束

整个任务的最后一棒

将交由返回器独自完成

(嫦娥五号轨道器与返回器分离示意,视频来源@纪录片《飞向月球》第二季)



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可是

当返回器到达

距地表120公里的大气层边缘时

飞行速度高达10.6km/s

如果直接一头扎进大气层

将产生超过2000℃的高温

极易损坏结构、功亏一篑

因此

在科学家的设计下

这枚返回器

通过一种“打水漂”的方式

两次进入大气层

从而将速度降低到可控范围

(嫦娥五号返回器再入返回示意,制图@王申雯&李炎/星球研究所)



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最后

文章开头的一幕上演

历时23天、飞越76万公里

这支月球远征队

在全世界面前上演了一场

中国航天史上最精彩的星际接力

(请横屏观看,嫦娥五号11个飞行阶段示意,制图@王申雯&李炎/星球研究所)

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但这次成功并非偶然

因为从更广阔的维度上看

这场星际接力

已经持续了17年之久

02 穿越17年的接力

时间回到2003年

当第一位中国航天员杨利伟

在全国人民的关注下

成功进入太空时

中国的月球探测

仍处在近10年的漫长论证中

尚未迈出第一步

直到2004年

“嫦娥工程”终于问世

(嫦娥五号探测器与长征五号火箭组装现场,画面中央的中国探月标志意为“月亮之上”,以中国书法的笔触勾勒出一轮圆月,一双脚印踏在其上,象征着月球探索工程的终极梦想,摄影师@史啸)

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然而彼时的世界

在经历了一场轰轰烈烈的太空竞赛后

奔向月球的探测器已超过100颗

美国更是早在1969年

便实现了首次载人登月

(人类探月形势汇总,制图@王申雯/星球研究所)

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反观当时的中国

我们没有足够强大的火箭

最远的卫星

距离地表约3.6万公里

仅仅只有地月平均距离的1/10

(长征三号甲运载火箭,当时已多次成功将人造地球卫星送入高度约为3.6万公里的地球同步轨道,被誉为“金牌火箭”,但从未发射过月球探测卫星,图片来源@人民视觉)

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我们没有完善的测控网络

若无法精准控制卫星飞行

便会“失之毫厘,谬以千里”

(远望三号测量船,当时我国建成了以西安卫星测控中心为中枢,以10多个固定站台、活动测控站和远望号测量船为骨干的航天测控网,但主要用于各类地球卫星及载人航天的测控,大部分距地面不超过4.2万公里,而月球卫星距地面最远可达44万公里,是地球同步轨道卫星地面距离的10倍以上,图片来源@中国卫星海上测控部)

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我们甚至还没有

专门设计的月球探测器

一切几乎从零起步的中国

要如何才能飞跃地月之间的

38万公里呢?

①飞!飞越!

没有足够强大的火箭

科学家们便设计了一条

独特的探月轨道



先用火箭将卫星送至较低轨道

再找准时机让卫星多次加速

便能像“甩链球”一样

让卫星逃离地球引力

向月球飞去

等到被月球引力捕获后

再利用发动机减速下降

直至到达预定轨道

(嫦娥一号轨道示意,制图@刘志鹏/星球研究所)

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没有完善的测控网络

我们便引入原本用于天文观测的

射电望远镜系统

联合实现38万公里外的月球测控

(北京密云50m口径射电望远镜与流星同框,此望远镜是为了完成绕月探测任务新建,是当时国内口径最大的天线系统,摄影师@孙业林)

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没有专门的月球探测器

我们就在地球卫星东方红三号的基础上

改造出嫦娥一号

让它不仅能在

超低温、高辐射的太空环境中

完成长途飞行

还能利用一众科学探测仪器

对月球进行观测

(嫦娥一号全月球影像图,分辨率为120米,是当时世界上已公布的最为清晰、完整的全月图,摄影师@嫦娥一号,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)

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就这样

经过3年多的筹备

2007年11月5日

嫦娥一号从地球出发12天后

不负众望地成功抵达月球

成为中国第一颗绕月卫星

(2007年10月24日,长征三号甲发射“嫦娥一号”探月卫星,摄影师@崔建平)

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自此

嫦娥时代正式开启

但这还只是第一步

接下来我们还要实现

月表着陆

②落!降落!

这是世界上精度最高的

全月球影像图

它精细到最小7米的构造

依然清晰可见

(7m与120m分辨率全月球影像图局部对比,摄影师@嫦娥一号&嫦娥二号,制图@王申雯&陈志浩/星球研究所)

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它由746幅月球照片拼接合成

而拍摄这些照片的

就是我们的嫦娥二号

与嫦娥一号的“甩链球”不同

得益于火箭运力的提升

和更加精准的轨道设计

嫦娥二号能如同“掷标枪”一般

从地球直接飞往月球

(嫦娥二号与一号轨道对比示意,制图@刘志鹏/星球研究所)

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但拍摄全月图

却并非它最重要的使命

在抵达月球后

嫦娥二号还将继续刹车减速

直至月表上空15公里的高度

如此接近月球

为的是尽一切可能

将一片名为“虹湾”的地方

尽收眼底

因为这里就是

嫦娥三号预定着陆的区域

(嫦娥三号着陆区域示意,其着陆点位于月球虹湾地区。2015年10月5日,国际天文学联合会(IAU)批准将嫦娥三号探测器着陆点周边区域命名为“广寒宫”,附近三个撞击坑分别命名为“紫微”、“太微”、“天市”,制图@王申雯/星球研究所)

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探路完成的嫦娥二号

头也不回地飞离月球

但它传回的信息

让真正肩负降落使命的嫦娥三号

顺利踏上了征途

与一号、二号这些“前辈”相比

它已经不再是一颗卫星

而是由着陆器和月球车

组成的登月机器人

(嫦娥三号结构示意,制图@李炎&王申雯/星球研究所)

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它的飞行轨道也更加高效

仅用2次刹车

便可以到达虹湾上空

等待着陆月表

(嫦娥三号与二号轨道对比示意,制图@刘志鹏/星球研究所)

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2013年12月14日20时59分52秒

来自地球的着陆指令一经下达

正在绕月飞行的嫦娥三号

便启动身体下方的发动机

开始减速下降

距离月表3公里

侧翼发动机启动

快速完成姿态调整

距离月表2.4公里

全身的敏感器工作

一边下降、一边判断月表形态

躲避大型障碍物

距离月表100米

发动机反推抵消重力

令探测器悬停16秒

而就在这短暂的16秒里

探测器必须精确检测障碍物

寻找出平坦的着陆点

随后继续减速下降并躲避障碍物

直到距离月表3米

探测器关闭发动机

自由落体

4条可伸缩的着陆腿

稳稳落在月球表面

这一刻

中国成为了

世界上第三个

自主实现月球软着陆的国家

(嫦娥三号着陆月面过程示意,制图@刘志鹏&李炎/星球研究所)



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而除了着陆以外

嫦娥三号还将“玉兔”

“带回”了月球

这是一辆能在月表巡视的月球车

尽管它在前进了100多米后

就因复杂的月面环境影响

无法再继续移动

但它却依然顽强地

在月表上工作了972天

远超预期服役的3个月

(嫦娥三号探测器释放的月球车“玉兔号”,摄影师@嫦娥三号着陆器,图片来源@国家航天局)



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最终

在2016年7月的最后一个夜晚

超额完成任务的玉兔号

停止了工作

这只“看过最多星星的兔子”

和人类做了最后的道别

随即进入了无尽的沉睡

(“月球车玉兔”的微博永远停在了2016年7月31日,但直到6年后的今天,却仍有很多网友每天在这条微博下留言,底图来源@POCKN,制图@王申雯/星球研究所)



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不过

探索的脚步并未停止

第二只兔子即将出发

继续完成未尽的梦想

③进!前进!

接过使命的

便是玉兔二号

截至2022年7月5日

它已在月球上行进了

1239.88米

更重要的是

它与搭载它的嫦娥四号

不仅弥补了玉兔号的遗憾

还实现了人类历史上

首次月球背面探测

(月球探测器着陆点分布,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)



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为何月背探测如此艰难?

这是因为在“潮汐锁定”的作用下

月球自转和公转周期一致

只有“正面”能朝向地球

这意味着

地球上的人们

永远无法看到月球的“背面”

也无法与背面的探测器进行通信

(潮汐锁定示意,两个天体间的引力相互作用导致天体的旋转速度变慢,一个天体总是同一面朝向另一天体的情况,制图@郑伯容&王申雯/星球研究所)



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为了突破这一难题

中国的科学家们

在地球和月背之间

架起了一座星际桥梁

鹊桥号中继卫星登场

它运行在一个特殊的轨道上

不仅能同时连接月背和地球

所需的能耗也极少

(鹊桥号中继卫星原理示意,制图@刘志鹏&李炎/星球研究所)



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在它的加持下

2019年1月3日

嫦娥四号顺利着陆

将人类的足迹扩展到了

遥远神秘的月球背面

而不到两年后

嫦娥五号的往返成功

标志着中国探月五战五捷

“绕月、落月、返回”

均已完成

一场持续17年的漫长接力

落下帷幕

但这

就是故事的全部了吗?

03 “看不见”的接力

时间回到2017年7月2号

海南文昌的淇水湾海滩上

汇聚了来自天南海北的游客

所有人都在等待

等待着夜幕降临后的一场火箭发射

19时23分23秒

长征五号遥二火箭

成功点火、腾空而起

但仅仅346秒后

火箭却突然偏离航线、失去控制

随后一头坠入太平洋中

星箭俱毁

(2017年7月2日,人群观看长征五号遥二火箭发射,摄影师@陈肖&肖海林)



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首发成功的长征五号

在第二次发射时遭遇失利

这让一路前进的嫦娥工程

也突然按下了暂停键

原本打算在同年11月出征的嫦娥五号

只能等待“胖五”再次准备就绪

而这一等就是三年

(2020年11月24日,嫦娥五号任务发射前的长征五号,由于尺寸硕大,人送外号“胖五”,摄影师@陈肖&肖海林)



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但这就是航天

它从来都是一项系统工程

“嫦娥奔月”也不例外

而在这背后

我们不仅需要一套

运载火箭系统

还需要

组装、测试、发射火箭的

发射场系统

(海南文昌航天发射场中长征五号火箭垂直转运画面,摄影师@宿东)



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研发、制作、调试

探测器平台和科学仪器、设备的

月球探测器系统

时刻测量、控制探测器

并及时处理数据信息的

测控系统和地面应用系统

共计五大系统的轮番接力

(请横屏观看,嫦娥五号测控系统分布,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)



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而在这项系统工程的背后

我们更需要

一代又一代人的接力

回想2004年

嫦娥工程立项之时

64岁的总指挥栾恩杰

69岁的首席科学家欧阳自远

75岁的总设计师孙家栋

共同扛起了

嫦娥一号的使命

(2007年11月5日,嫦娥一号成功绕月后,欧阳自远与孙家栋相拥而泣,旁边两位白发老人分别是栾恩杰和时任探月工程副总设计师的龙乐豪,素材来源@纪录片《我们的征途》)



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而那一年

毕业10年的张熇[hè]

刚刚投身嫦娥三号的初期研究

一名叫做周承钰的贵州女孩

还不满10岁

后来

嫦娥四号成功降落在月球背面

作为任务执行总监的张熇

忍不住潸然泪下

这一年她49岁

(2019年1月3日,嫦娥四号成功落月后,74岁的嫦娥一号卫星总设计师兼总指挥叶培建院士[左一]与嫦娥四号探测器项目执行总监张熇[左二],两代“嫦娥人”的手,紧紧地握在了一起,摄影师@新华社记者 金立旺)



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再后来

嫦娥五号成功发射

作为文昌发射场第一位女指挥员

贵州女孩周承钰

不过刚刚24岁

(2020年11月,周承钰参加嫦娥五号发射任务,她年纪虽小,却被同事们亲切地称为“大姐”,摄影师@都鑫鑫)



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而在嫦娥五号归来时

寒夜中等待的还有一位老人

那是已届80岁高龄的栾恩杰

他曾亲自将嫦娥送上征途

时隔13年

他又亲自接嫦娥“回家”

(2020年12月,80岁高龄的中国工程院院士、探月工程总指挥栾恩杰坚持前往内蒙古四子王旗接嫦娥五号回家,摄影师@万珂)



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今天

当我们仰望月亮

也许并无法看见

嫦娥一号撞月的残骸

玉兔一号最后的足迹

也无法看到

玉兔二号仍在工作的身影

(2022年11月8日,人们在上海临港欣赏月全食,图中为月全食的初亏阶段,摄影师@李俊杰)



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但我们知道

正是这场伟大的接力

让我们仰望了千年的月亮上

从此有了广寒宫

从此有了嫦娥石

也让我们千百年来的疑问

从此有了回答

(上文中的“嫦娥石”指2022年中秋节前夕,官方发布中国科学家首次发现月球上的新矿物并命名为“嫦娥石”,下图为北京万春亭与月食同框,摄影师@张乔,标注@王申雯/星球研究所)



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而未来

这场接力仍将继续下去

我们的嫦娥六号、七号、八号……

将会接过这份使命再次出征

直至实现载人登月

直至建起月球科研站

直至让月球真正成为

人类深空探测甚至星际航行的

第一站

最终

我们将一点一点抵达

抵达月球

抵达火星

抵达小行星

抵达木星

抵达太阳系边际

直至到达更深、更远

无限深、无限远的

宇宙

(嫦娥工程时间线图,制图@刘志鹏/星球研究所)



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本文创作团队

-星球研究所-

策划:桢公子

撰文:素描

编辑:王哈勃

设计:王申雯&刘志鹏

图片:感恩的心  地图:陈志浩

模型:李炎  审校:李凤梨&郑艺

-国家航天局新闻宣传中心-

策划:万珂 王舒颖

编辑:李楠 刘彦

资料:张未  吴珊  张高翔

专家审核
国家航天局探月与航天工程中心 王琼 研究员

国家航天局探月与航天工程中心 石萌 工程师

【致谢】本文的图片内容得到了“国家航天局探月与航天工程中心”和“我们的太空”的大力支持,特此感谢。

【主要参考文献】

[1]中国科学院月球与深空探测总体部.《月球与深空探测》[M].广州:广东科技出版社,2014.

[2]张熇.《翱翔九天:从人造卫星到月球探测器》[M].上海科技教育出版社.2013.

[3]北京航天飞行控制中心.《月背征途》[M].北京科学技术出版社.2021.

[4]裴照宇,王琼,田耀四.嫦娥工程技术发展路线[J].深空探测学报,2015,2(02):99-110.

[5]吴伟仁,刘继忠,唐玉华,于登云,于国斌,张哲.中国探月工程[J].深空探测学报,2019,6(05):405-416.

[6]杨维廉,周文艳.嫦娥一号月球探测卫星轨道设计[J].航天器工程,2007(06):16-24+118.

[7]周文艳,杨维廉.嫦娥二号卫星轨道设计[J].航天器工程,2010,19(05):24-28.

[8]孙泽洲,张廷新,张熇,贾阳,张洪华,陈建新,吴学英,申振荣.嫦娥三号探测器的技术设计与成就[J].中国科学:技术科学,2014,44(04):331-343.

[9]吴伟仁, 于登云, 王赤,等. 嫦娥四号工程的技术突破与科学进展[J]. 中国科学:信息科学, 2020(012):050.

[10]胡浩, 裴照宇, 李春来,等. 无人月球采样返回工程总体设计——嫦娥五号任务[J]. 中国科学, 2021(011):051.

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