“嫦娥五號(hào)”任務(wù)總體方案權(quán)衡設(shè)計(jì)

裴照宇，任俊杰，彭 兢，王 瓊，胡震宇，李海濤，黃 磊，耿光有

（1.探月與航天工程中心，北京 100190；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；4.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；5.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

引 言

月球探測(cè)和深空探索，可以深化人類(lèi)對(duì)地球、太陽(yáng)系以及宇宙起源與演化等方面的研究與認(rèn)識(shí)，還可以利用月球周?chē)鸁o(wú)大氣、無(wú)磁場(chǎng)、弱引力場(chǎng)和月球軌道所具有的特殊性開(kāi)展科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)。月球是開(kāi)展天體物理學(xué)、引力波、中微子等現(xiàn)代科學(xué)問(wèn)題研究的理想場(chǎng)所；更重要的是月球上貯藏著豐富的氦–3資源，是清潔的理想核聚變物質(zhì)，將有效地解決人類(lèi)未來(lái)的能源問(wèn)題[1]。

我國(guó)的探月工程起步比美蘇晚了近50年，所以必須立足國(guó)情，瞄準(zhǔn)世界前沿，走高起點(diǎn)、低成本的創(chuàng)新發(fā)展道路[2]。2006年2月，國(guó)務(wù)院頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，明確將“載人航天與探月工程”列入國(guó)家16個(gè)重大科技專(zhuān)項(xiàng)。探月工程規(guī)劃為“繞”“落”“回”三期[3]?！版隙鹞逄?hào)”（Chang’E-5，CE-5）工程是探月三期的主任務(wù)，作為我國(guó)首個(gè)月面采樣返回任務(wù)，是我國(guó)目前最復(fù)雜的航天系統(tǒng)工程，它的工程方案、飛行過(guò)程與美國(guó)和蘇聯(lián)均不相同，具有我國(guó)的特色?？傮w方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于月球探測(cè)所涉及的時(shí)空系統(tǒng)、飛行動(dòng)力學(xué)、光照及測(cè)控條件等比較復(fù)雜，使得開(kāi)發(fā)任務(wù)分析、設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證的軟件成本較高[4]、周期長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足論證設(shè)計(jì)的需要，應(yīng)綜合運(yùn)用多種系統(tǒng)工程方法，并進(jìn)行創(chuàng)新，以確定總體方案。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。最初由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代初提出，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，最新的研究主要集中在軟件實(shí)現(xiàn)和量化建模改進(jìn)及人工智能的應(yīng)用方面。

多目標(biāo)規(guī)劃是線(xiàn)性規(guī)劃的一種特殊應(yīng)用，由美國(guó)學(xué)者查納斯（Charnes）和庫(kù)伯（Cooper）在1961年首次提出。多目標(biāo)規(guī)劃為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，為每一個(gè)目標(biāo)分配一個(gè)權(quán)重系數(shù)，通過(guò)平衡各目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，使得每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的偏差之和最小，建立總目標(biāo)函數(shù)，求得最優(yōu)解。當(dāng)前，大多都是將總體要素多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，所以無(wú)法求得分布均勻的 Pareto 解集，并不能為設(shè)計(jì)者提供多樣的優(yōu)化方案[5]。

本文闡述了“嫦娥五號(hào)”復(fù)雜工程總體方案的權(quán)衡設(shè)計(jì)過(guò)程及主要方案內(nèi)容，介紹了如何基于我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化總體方案，在各種約束范圍內(nèi)和技術(shù)可行性的前提下，最大限度地提升工程技術(shù)能力和工程效益。

1 論證與研制的背景

國(guó)際上：隨著國(guó)際政治形勢(shì)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展，國(guó)際上掀起了第二輪探月高潮，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、日本、印度等國(guó)家相繼開(kāi)展了月球探測(cè)活動(dòng)。

國(guó)內(nèi)：我國(guó)探月工程一期（“繞”）圓滿(mǎn)完成，探月工程二期（“落”）穩(wěn)步推進(jìn)。

為適時(shí)啟動(dòng)探月三期工程研制，確保在2020年前完成探月工程“繞”“落”“回”三步走的總體目標(biāo)，探月工程領(lǐng)導(dǎo)小組決策于2009年開(kāi)始探月三期工程的論證與實(shí)施，并提出了工程的總體要求和任務(wù)目標(biāo)。

總體要求：技術(shù)上可行（2020年前完成任務(wù)）；經(jīng)濟(jì)可承受（經(jīng)費(fèi)規(guī)模與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)）；體現(xiàn)國(guó)家的水平（科學(xué)處理創(chuàng)新、繼承與集成創(chuàng)新的關(guān)系，充分應(yīng)用我國(guó)先進(jìn)科技成果）；經(jīng)得起歷史檢驗(yàn)（最終能實(shí)現(xiàn)，且周期、經(jīng)費(fèi)符合預(yù)期，工程整體效益好）。

三期工程任務(wù)目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣返回，并開(kāi)展月球樣品地面分析研究，以獲取月球樣品并返回為成功的標(biāo)志。其中的工程目標(biāo)：①突破一系列的關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)航天技術(shù)水平；②實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推進(jìn)我國(guó)科學(xué)技術(shù)重大跨越；③完善探月工程體系，為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)?？茖W(xué)目標(biāo)：①著陸區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析；②月球樣品的分析與研究。

2 “嫦娥五號(hào)”任務(wù)分析

2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)技術(shù)復(fù)雜，具有“三新”“三多”“四難”的特點(diǎn)。“三新”是指在立項(xiàng)之初，研制新的月面采樣探測(cè)器；使用新研制的大型、低溫“長(zhǎng)征五號(hào)”（CZ-5）運(yùn)載火箭；使用新建的海南發(fā)射場(chǎng)?！叭唷笔侵革w行階段、工作模式、地月往返飛行軌道和發(fā)射窗口設(shè)計(jì)約束多?！八碾y”是指工程面臨月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移（可能環(huán)節(jié)）、接近第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回等4個(gè)重大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

特別需要指出的是整個(gè)任務(wù)過(guò)程需要經(jīng)歷2次（發(fā)射）起飛、2次著陸、月面采樣、多次分離，飛行階段多、工作模式多、地月往返飛行軌道和發(fā)射窗口設(shè)計(jì)約束多，使得任務(wù)設(shè)計(jì)的選擇多、約束多、決策難。

實(shí)際上，月面采樣方案的設(shè)計(jì)，包括許多航天項(xiàng)目，并不是完全從零開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程。要以各個(gè)國(guó)家航天工業(yè)的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，尋找符合任務(wù)要求與目標(biāo)的方案。因此，方案設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)多變量、多約束、多目標(biāo)的權(quán)衡決策問(wèn)題。

2.2 管理分析

組織月面采樣返回工程研制與發(fā)射實(shí)施，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

1）研制管理難度大，工程研制以完成“嫦娥五號(hào)”任務(wù)為主線(xiàn)，通過(guò)再入返回飛行試驗(yàn)驗(yàn)證核心關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭研制保證工程實(shí)施，落實(shí)研制保障條件建設(shè)推進(jìn)工程順利開(kāi)展。

2）發(fā)射組織難度大，2014年執(zhí)行再入返回飛行試驗(yàn)；2015年開(kāi)展海南發(fā)射場(chǎng)綜合演練；2015－2016年通過(guò)“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭2次飛行試驗(yàn)充分驗(yàn)證探月工程三期火箭關(guān)鍵技術(shù)；2017年前后執(zhí)行“嫦娥五號(hào)”發(fā)射任務(wù)；期間需要進(jìn)行大型試驗(yàn)和發(fā)射場(chǎng)綜合演練，現(xiàn)場(chǎng)組織協(xié)調(diào)量大。

3）地面驗(yàn)證難度大，工程需開(kāi)展高速再入氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、熱防護(hù)和制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制技術(shù)（Guidance Navigation and Control，GNC）試驗(yàn)、著陸上升綜合試驗(yàn)、交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移綜合試驗(yàn)等一系列重大關(guān)鍵地面驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)方案難度大，試驗(yàn)保障設(shè)施研制建設(shè)難度大，試驗(yàn)組織實(shí)施復(fù)雜。

2.3 探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)分析

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：①月面采樣、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、跳躍式再入返回等關(guān)鍵技術(shù)是否能夠如期突破的風(fēng)險(xiǎn)；②技術(shù)驗(yàn)證方案是否合理、到位的風(fēng)險(xiǎn)；③技術(shù)狀態(tài)控制和系統(tǒng)間、分系統(tǒng)間接口是否匹配的風(fēng)險(xiǎn)；④系統(tǒng)組成和任務(wù)剖面復(fù)雜，工程設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)是否可靠的風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量受控的風(fēng)險(xiǎn)；⑤發(fā)射與任務(wù)是否能如期實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。

管理風(fēng)險(xiǎn)：主要是工程龐大、關(guān)鍵技術(shù)多、試驗(yàn)項(xiàng)目多，參與部門(mén)和單位多，技術(shù)、條件建設(shè)、質(zhì)量管理、經(jīng)費(fèi)保障多線(xiàn)并行，帶來(lái)的系統(tǒng)管理挑戰(zhàn)和進(jìn)度匹配風(fēng)險(xiǎn)，最終體現(xiàn)在進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

3 總體方案技術(shù)路線(xiàn)與分步權(quán)衡的NAFVO方法

3.1 技術(shù)路線(xiàn)

針對(duì)探月工程一期、二期的基礎(chǔ)和三期工程的任務(wù)目標(biāo)與特點(diǎn)，確定三期工程技術(shù)路線(xiàn)：瞄準(zhǔn)世界領(lǐng)先水平，集成我國(guó)最高水平航天技術(shù)基礎(chǔ)，高起點(diǎn)地確定功能與性能指標(biāo)；繼承二期工程軟著陸平臺(tái)，完全自主地進(jìn)行技術(shù)上的原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，以正面攻堅(jiān)的方式突破月球采樣返回、新型運(yùn)載火箭、新發(fā)射場(chǎng)的核心關(guān)鍵技術(shù)[6]。

3.2 分步權(quán)衡NAFVO方法

航天工程，特別是具有多種可選方案的大型航天工程，在方案選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程中，要進(jìn)行多層面、多環(huán)節(jié)、多輪次的權(quán)衡，方案的評(píng)估已從單純的性能參數(shù)對(duì)比發(fā)展到綜合性能的解析評(píng)估，并不斷擴(kuò)展到可靠性、維修性、保障性、安全性、生存力和壽命周期費(fèi)用等方面[7]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了多目標(biāo)規(guī)劃方法的分析范圍。為便于后續(xù)分析，將大型復(fù)雜航天工程方案設(shè)計(jì)需要考慮的因素作以下定義。

1）實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)所需的任務(wù)資源（如發(fā)射場(chǎng)、著陸場(chǎng)、測(cè)控資源等）、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品等要素的集合N{n1，n2，···}。

2）我國(guó)現(xiàn)有的航天資源、技術(shù)基礎(chǔ)及在工程研制周期內(nèi)通過(guò)條件建設(shè)及技術(shù)攻關(guān)可突破的國(guó)家技術(shù)和可獲得的資源A{a1，a2，···}。

3）我國(guó)技術(shù)能力和國(guó)力在客觀上可以實(shí)現(xiàn)的方案集F{f1，f2，···}。

4）國(guó)家及工程主管部門(mén)主觀上可接受方案集V{v1，v2，···}。

5）最終方案優(yōu)選決策因素及權(quán)重系數(shù)集W{w1，w2，···}。

航天工程任務(wù)是通過(guò)調(diào)研、分析、設(shè)計(jì)和評(píng)估等工作，綜合上述因素，獲得最終的，一般也是最優(yōu)的實(shí)施方案，即面臨的問(wèn)題可以描述為Q={N，A，F(xiàn)，V，W}。

由于工程的復(fù)雜性，工程方案設(shè)計(jì)的約束、變量、目標(biāo)建模很復(fù)雜，而且相互耦合和影響，很難將所有環(huán)節(jié)、因素、關(guān)鍵技術(shù)都在建模中體現(xiàn)，難以一次完成權(quán)衡決策。針對(duì)多變量、多約束、多目標(biāo)的權(quán)衡決策問(wèn)題和選擇多、約束多、決策難和建模難，結(jié)合實(shí)際情況，提出了一種通過(guò)分步與分層決策相結(jié)合的總體思路，通過(guò)這一思路將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行建模分析的決策問(wèn)題。其主要思想：①僅對(duì)影響任務(wù)的主要環(huán)節(jié)和技術(shù)進(jìn)行分析；②同時(shí)將多約束、多變量、多目標(biāo)的權(quán)衡決策問(wèn)題分段梳理，分步?jīng)Q策；③為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，先假設(shè)每一個(gè)指標(biāo)權(quán)重均為1，完成初步權(quán)衡后，可根據(jù)需要細(xì)化權(quán)重比例設(shè)計(jì)，進(jìn)行精確的評(píng)估比較。

遵循這一思路，提出了一種NAFVO的5步權(quán)衡設(shè)計(jì)方法：第1步至第3步是根據(jù)任務(wù)需求與現(xiàn)實(shí)條件，設(shè)計(jì)出可行的方案；第4步是用必須滿(mǎn)足的約束篩除不滿(mǎn)足條件的方案；第5步是在各方面可行的方案中優(yōu)選出最終的工程研制方案。NAFVO的5步權(quán)衡設(shè)計(jì)方法主要步驟如圖1所示。

圖1 NAFVO五步權(quán)衡設(shè)計(jì)方法示意圖Fig.1 Flowchart of NAFVO method

3.3 NAFVO詳細(xì)設(shè)計(jì)

1）梳理所需資源與關(guān)鍵過(guò)程（Need）

根據(jù)任務(wù)的目標(biāo)，提出可能的技術(shù)路線(xiàn)和任務(wù)過(guò)程，對(duì)任務(wù)過(guò)程需要的研制資源、任務(wù)實(shí)施資源與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行匯總，形成任務(wù)技術(shù)需求的全集。

2）識(shí)別可獲資源和可行技術(shù)（Available）

根據(jù)任務(wù)的需求，對(duì)照我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)和航天整體實(shí)力，識(shí)別實(shí)現(xiàn)任務(wù)可獲得的資源、技術(shù)與產(chǎn)品，包括在研制期間預(yù)測(cè)可突破的技術(shù)、可建成的條件、可獲取的產(chǎn)品。

3）論證（重點(diǎn)）技術(shù)可達(dá)方案（Feasible）

基于可獲取的資源與技術(shù)，設(shè)計(jì)工程任務(wù)方案，這些方案基本具備可行性，但可能有多達(dá)10余種方案或更多方案選擇。用層次分析法，經(jīng)過(guò)會(huì)議、打分、仿真等形式的初步評(píng)估，對(duì)技術(shù)可行性、任務(wù)滿(mǎn)足度較好的重點(diǎn)幾個(gè)方案開(kāi)展深入的分析設(shè)計(jì)。

4）多約束求解可接受方案（Viable）

用工程設(shè)計(jì)與實(shí)施的約束對(duì)技術(shù)可達(dá)方案進(jìn)行權(quán)衡與篩選，比如發(fā)射重量、采樣能力、著陸區(qū)范圍及整體成本、整體周期等，排除不滿(mǎn)足硬性約束的方案。

5）多目標(biāo)權(quán)衡最優(yōu)方案（Optimal）

在可行（技術(shù)、發(fā)射、經(jīng)濟(jì)）、可接受（滿(mǎn)足工程各主要約束和基本要求）的條件下，根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略意圖和工程整體目標(biāo)，用多目標(biāo)權(quán)衡方法，選擇最終的方案開(kāi)展工程研制與實(shí)施。

4 方案設(shè)計(jì)中的權(quán)衡

4.1 梳理所需任務(wù)資源與關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品（Need）

根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，梳理出實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)目標(biāo)所需要的任務(wù)資源、核心技術(shù)與關(guān)鍵產(chǎn)品。其中，主要資源需求包括：6～8 t左右的新型探測(cè)器、中低緯度大型航天發(fā)射場(chǎng)、地月轉(zhuǎn)移軌道8～10 t的大型運(yùn)載火箭、完整的深空測(cè)控網(wǎng)等。需要的試驗(yàn)設(shè)施包括：月面采樣綜合試驗(yàn)設(shè)施、交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)設(shè)施、新的高空高速稀薄大氣風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施。關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品包括：月面采樣、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地高速再入返回技術(shù)（半彈道跳躍式或彈道式）及其3 000 N左右的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，具有集群協(xié)同工作能力的小型機(jī)器人系統(tǒng)將是未來(lái)深空探測(cè)的主要形式和重要發(fā)展方向[8]，可在更大范圍內(nèi)獲取指定的樣品。配合采樣和附加的科學(xué)載荷產(chǎn)品與技術(shù)同樣重要，同時(shí)要提高宏觀探測(cè)、微觀探測(cè)和數(shù)據(jù)獲取效率[9]。

對(duì)于任務(wù)目標(biāo)，所需的資源與技術(shù)可能包括暫時(shí)不具備或不可獲取的資源或技術(shù)，在準(zhǔn)確識(shí)別前，均列入本步驟應(yīng)考慮的因素。

1）將“零窗口”發(fā)射問(wèn)題轉(zhuǎn)換為“無(wú)窗口約束”的自主修正制導(dǎo)控制技術(shù)[10]。在沒(méi)有徹底攻克該技術(shù)前，可以采用多彈道裝訂發(fā)射的類(lèi)似技術(shù)滿(mǎn)足工程需求。

2）月球背面具有月球最大、最深、最古老的盆地南極–艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin，SPA），保存了月球的早期信息，對(duì)于月球和地月系的初期歷史和演化、深層次的構(gòu)造和成分的研究，都具有重要的意義[11]，但實(shí)施月球背面采樣需要中繼衛(wèi)星以及在間斷通信情況下實(shí)施采樣等相關(guān)技術(shù)。

4.2 識(shí)別可獲資源和可行技術(shù)（Available）

梳理我國(guó)現(xiàn)有的航天資源、技術(shù)基礎(chǔ)及在工程研制周期內(nèi)通過(guò)條件建設(shè)及技術(shù)攻關(guān)可突破的國(guó)家技術(shù)和可獲得的重大設(shè)施。這些可獲取的資源與技術(shù)形成了方案設(shè)計(jì)的主要基礎(chǔ)和條件。

4.2.1 可獲取資源

1）運(yùn)載火箭。選擇我國(guó)現(xiàn)有的“長(zhǎng)征三號(hào)”系列火箭及在研的“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭?！伴L(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭二級(jí)滑行時(shí)間1 000 s時(shí)，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力不大于8 200 kg。

2）探測(cè)器。設(shè)計(jì)和研制新的月面采樣返回探測(cè)器。根據(jù)“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載能力，探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量不大于8 200 kg；包絡(luò)尺寸采用5200Z型整流罩，整流罩長(zhǎng)度12.267 m，靜態(tài)包絡(luò)柱段直徑4.5 m。

3）發(fā)射場(chǎng)。采用西昌衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)或我國(guó)建設(shè)中的海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)。

4）月面采樣區(qū)。根據(jù)探測(cè)器推進(jìn)、熱控、測(cè)控通信能力，結(jié)合地月往返軌道設(shè)計(jì)與月面地形地貌進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。著陸和采樣地點(diǎn)要區(qū)別于人類(lèi)曾經(jīng)實(shí)施采樣的區(qū)域，同時(shí)，考慮了采樣科學(xué)需求、軌道可達(dá)性、測(cè)控、月面工作太陽(yáng)高度角、熱環(huán)境適應(yīng)性、月面起飛與交會(huì)對(duì)接約束等約束。

5）采樣機(jī)構(gòu)。①機(jī)械臂表取采樣機(jī)構(gòu)，可采集2～5 m2范圍內(nèi)的月表樣品；②鉆取采樣結(jié)構(gòu)，借鑒蘇聯(lián)“LUNA”系列，鉆進(jìn)深度可達(dá)到2 m左右；③小型淺層鉆取采樣機(jī)構(gòu)，可用1 kg左右重量的卷簧式采樣器，實(shí)現(xiàn)采集10 cm左右深度樣品[12]。

6）著陸技術(shù)及7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)。盡可能地采用探月二期實(shí)現(xiàn)的月面軟著陸技術(shù)及7 500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，縮短周期。

7）返回方式與返回器。借鑒我國(guó)返回式衛(wèi)星、神舟飛船、導(dǎo)彈彈頭再入技術(shù)及俄羅斯“LUNA”探測(cè)器彈道式方案，也可參考俄羅斯飛船及美國(guó)“阿波羅”飛船指揮艙再入返回方案及氣動(dòng)外形。

8）著陸場(chǎng)。選用我國(guó)載人航天工程四子王旗著陸場(chǎng)、返回式衛(wèi)星遂寧著陸場(chǎng)，同時(shí)考慮新選備用著陸回收區(qū)域。

9）測(cè)控與回收系統(tǒng)。繼續(xù)以全球布局的深空測(cè)控網(wǎng)為目標(biāo)，建設(shè)南美深空站，形成完整的深空測(cè)控網(wǎng)，同時(shí)補(bǔ)充建設(shè)再入返回跟蹤測(cè)量設(shè)備。

10）地面應(yīng)用系統(tǒng)。建設(shè)月球樣品存儲(chǔ)、處理和科學(xué)研究設(shè)施。

11）飛行時(shí)間和月面工作時(shí)間。根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有特殊限定。

12）月球引力場(chǎng)模型。美國(guó)“月球探勘者號(hào)”（Lunar Prospector，LP）探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)反演的“月球探勘者號(hào)”系列引力場(chǎng)和綜合利用以往衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)與日本“月亮女神”航天器（SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合結(jié)算的SGM系列月球引力場(chǎng)[13]，并利用我國(guó)“嫦娥二號(hào)”（Chang’E-2，CE-2）測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)。

13）高精度的月球數(shù)字地形模型。通過(guò)調(diào)研比較，SLDEM 2015是當(dāng)時(shí)可公開(kāi)獲取的精度最高的月球數(shù)字地形模型，有效分辨率為512像素/°，在赤道處約為60 m/像素[14]。

4.2.2 可獲取技術(shù)

1）月面軟著陸技術(shù)。我國(guó)探月工程二期已經(jīng)成功解決了探測(cè)器著陸月面時(shí)的安全穩(wěn)定問(wèn)題[15]，需根據(jù)任務(wù)的特殊需求進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

2）月面起飛技術(shù)。雖然起飛姿態(tài)不確定、無(wú)發(fā)射勤務(wù)保障系統(tǒng)支持，但通過(guò)合理利用姿控系統(tǒng)能力，有望在方案階段的2年內(nèi)突破技術(shù)，在初樣階段完成工程驗(yàn)證。在月面著陸及月面起飛動(dòng)力段彈道確定方面，因?yàn)闆](méi)有避障懸停過(guò)程，所以其彈道應(yīng)該更為光滑[16]，樣條法應(yīng)該能更好地逼近其彈道，國(guó)內(nèi)可以完成相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

3）月球軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)。雖然存在月面力學(xué)環(huán)境相對(duì)于近地軌道更為復(fù)雜[17]，且沒(méi)有全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)支持，軌道器和上升器重量差別大等困難，但期待在方案階段的2年內(nèi)突破關(guān)鍵技術(shù)，在初樣機(jī)階段完成工程驗(yàn)證。

4）第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高，并決定了整個(gè)工程的進(jìn)度、效果甚至是任務(wù)的成敗，俄羅斯、美國(guó)均進(jìn)行了多次飛行試驗(yàn)才取得突破。我國(guó)專(zhuān)家也在是否采用跳躍式再入返回方式、采用哪種氣動(dòng)外形等方面有很大的分歧，并經(jīng)過(guò)幾輪的討論和研究，總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)確定最終方案。需要在工程的研制過(guò)程中突破氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、熱防護(hù)和GNC四項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，并完成飛行試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)。

4.3 論證技術(shù)可達(dá)方案（Feasible）

在各種資源與技術(shù)發(fā)展的約束下，探測(cè)器模塊組成設(shè)計(jì)及發(fā)射、采樣、返回等任務(wù)過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)均有不同的技術(shù)選擇。

根據(jù)探測(cè)器的構(gòu)型、發(fā)射方案、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)與產(chǎn)品要求的不同，將上述方案要素進(jìn)行組合[18]，得到多種潛在可行方案，數(shù)量達(dá)到幾十種，稱(chēng)之為可達(dá)方案集F={f1，f2，···，fn}。根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，重點(diǎn)提出了一次發(fā)射三器方案、一次發(fā)射四器方案、兩次發(fā)射四器方案及派生的多種方案及對(duì)應(yīng)的飛行過(guò)程。如圖2所示，這些方案在難度、風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)費(fèi)、周期和對(duì)我國(guó)未來(lái)航天技術(shù)的引領(lǐng)作用均有很大不同。這些還僅僅是考慮了最主要的環(huán)節(jié)，事實(shí)上，航天任務(wù)方案設(shè)計(jì)要考慮的設(shè)計(jì)約束多達(dá)上百項(xiàng)，整個(gè)飛行程序及指令設(shè)計(jì)近萬(wàn)條。

圖2 可達(dá)方案示意圖Fig.2 Flowchart of feasible mission design

4.4 多約束求解可接受方案（Viable）

在可達(dá)方案基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)約束對(duì)可達(dá)方案進(jìn)行多約束求解，獲取可接受方案集V{v1，v2，···，vm}，可接受方案集V一般是可達(dá)方案集F的子集。將任務(wù)約束定義為C{c1，c2，···，ci}。那么這一步驟的問(wèn)題可以描述為：V={F，C}。各可達(dá)方案的多約束分析如表1所示。

表1 不同方案對(duì)任務(wù)約束的滿(mǎn)足情況Table 1 Satisfaction of different designs to mission constraints

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)的主要約束包括：①技術(shù)可行；②經(jīng)濟(jì)可承受；③研制周期有把握2020年前完成任務(wù)；④“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載能力能夠支撐；⑤繼承著陸技術(shù)及7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)；⑥設(shè)計(jì)復(fù)雜度及構(gòu)型布局難度可接受；⑦總裝實(shí)施難度可接受；⑧發(fā)射任務(wù)組織實(shí)施難度可接受；⑨無(wú)重大工程風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 多目標(biāo)權(quán)衡最優(yōu)方案（Optimal）

這一步驟是在多個(gè)可行、可接受方案基礎(chǔ)上，采用多目標(biāo)權(quán)衡的方法選擇最優(yōu)方案。多準(zhǔn)則決策法能夠?qū)Ψ桨缸鞒鋈中?、整體性的評(píng)價(jià)，從而對(duì)方案進(jìn)行排序和優(yōu)選[19]，因此適合于這一步驟的決策。常用的多準(zhǔn)則決策法有加權(quán)系數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)投影法、基于理想點(diǎn)決策法、正交投影法、基于模糊數(shù)學(xué)的多準(zhǔn)則決策法以及基于粗糙集的智能決策方法等。采用加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行分析，將各目標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)集合定義為W={w1，w2，···，wn}。這一步驟的問(wèn)題可以描述為：O={W，V}。這個(gè)過(guò)程的主要目標(biāo)包括：①采樣種類(lèi)多且采樣量多（采樣量與探測(cè)器總重比較高）；②帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，為載人登月等深空探測(cè)奠定基礎(chǔ)；③經(jīng)得起歷史檢驗(yàn)。

1）不同方案采樣量的權(quán)衡

針對(duì)三器方案（蘇聯(lián)Luna-16）及其四器方案（CE-5或美國(guó)“阿波羅”工程），分析了返回器與探測(cè)器總重的比例，可以看出，在同等規(guī)模下，四器方案有利于擴(kuò)大返回器規(guī)模和實(shí)現(xiàn)采樣量多的目標(biāo)。但采用半彈道跳躍式返回，需要在返回器配置較多的推力器及燃料，同時(shí)，樣品容器尺寸受到上升器限制，所以，采樣量與探測(cè)器總量比例略低于返回器與探測(cè)器總重比例，不同方案采樣量與探測(cè)器總重比見(jiàn)圖3。

圖3 不同方案采樣量與探測(cè)器總重比Fig.3 Ratio of sampling quantity to total weight of the probe in different designs

2）技術(shù)創(chuàng)新性

方案3將突破月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、半彈道跳躍式再入返回，這些技術(shù)既是我國(guó)航天的空白，又是實(shí)施載人登月不可或缺的技術(shù)條件，將極大帶動(dòng)我國(guó)航天技術(shù)進(jìn)步。

3）經(jīng)得起歷史檢驗(yàn)

從歷史的角度考慮或回看，該方案技術(shù)路線(xiàn)是否符合我國(guó)當(dāng)時(shí)的國(guó)情及技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，是否過(guò)于激進(jìn)或保守。按照我國(guó)當(dāng)前的航天能力和國(guó)家綜合實(shí)力，用較大的投入、較長(zhǎng)的工程周期實(shí)施月面采樣返回，如果采樣量和技術(shù)帶動(dòng)少，無(wú)論工程實(shí)施是否順利，無(wú)疑將辜負(fù)我國(guó)航天發(fā)展的歷史機(jī)遇。因此，方案3也是必然的選擇。如果運(yùn)載火箭研制不順利，方案1可以作為備選方案。綜上，多目標(biāo)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同方案對(duì)優(yōu)選指標(biāo)的滿(mǎn)足情況Table 2 Satisfaction of different designs to optimal targets

通過(guò)以上各步驟的分析，無(wú)論是從約束的滿(mǎn)足度還是從目標(biāo)的滿(mǎn)足度，方案3都是最優(yōu)的選擇。

在研制更詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)具體的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行加權(quán)與打分比較。并針對(duì)方案3確定的主要任務(wù)環(huán)節(jié)、技術(shù)路線(xiàn)，確定了探測(cè)器的構(gòu)型、月面采樣區(qū)及完整飛行過(guò)程。在工程研制過(guò)程中，在不同層級(jí)，如總體（比如采樣區(qū)的詳細(xì)選擇、各階段的精度指標(biāo)、返回器采用哪種氣動(dòng)外形、返回器采用哪些種類(lèi)防熱材料等）、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)等層面，都進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡，通過(guò)權(quán)衡設(shè)計(jì)的大循環(huán)與小循環(huán)，完成了工程總體及各系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

5 總體方案與實(shí)施效果

只有保證裝備設(shè)計(jì)方案選擇的正確性和準(zhǔn)確性，才能確保裝備在工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部署和使用等階段工作的順利開(kāi)展[20]。NAFVO的權(quán)衡設(shè)計(jì)方法及5個(gè)步驟的多輪迭代設(shè)計(jì)，確定了統(tǒng)籌現(xiàn)有能力，補(bǔ)充完善試驗(yàn)設(shè)施和驗(yàn)證條件，構(gòu)建了系統(tǒng)完備、天地協(xié)同、充分驗(yàn)證、精干高效的任務(wù)實(shí)施體系，形成了系統(tǒng)的總體方案：新研四器組合式月球探測(cè)器，四器分別具備獨(dú)立飛行能力及月面著陸、采樣、上升、對(duì)接、返回等功能，在地面測(cè)控系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)支持下，相互配合、協(xié)同工作，完成月面采樣返回任務(wù)。

5.1 系統(tǒng)組成

探測(cè)器由著陸器、上升器、軌道器和返回器組成，如圖4所示，總重8.2 t。

圖4 “嫦娥五號(hào)”探測(cè)器組成示意圖Fig.4 Schematic diagram composition of Chang'E-5 probe

選用我國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征五號(hào)”作為運(yùn)載火箭，總體構(gòu)型見(jiàn)圖5所示?；鸺L(zhǎng)57 m，起飛重量868 t，起飛推力1 067 t。

圖5 “長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭示意圖Fig.5 Picture of CZ-5 rocket

選擇中國(guó)海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)實(shí)施發(fā)射任務(wù)。經(jīng)“長(zhǎng)征五號(hào)”遙一、遙二發(fā)射試驗(yàn)任務(wù)驗(yàn)證，該發(fā)射場(chǎng)具備“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭運(yùn)輸、吊裝、測(cè)試、加注、發(fā)射和探測(cè)器的技術(shù)勤務(wù)保障能力。圖6 給出了文昌航天發(fā)射場(chǎng)布局示意圖。

圖6 中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)布局示意圖Fig.6 Layout of China Wenchang spacecraft launch site

新建的阿根廷深空站的加入，與已有的佳木斯和新疆喀什等深空網(wǎng)共同形成了我國(guó)完整的全球深空測(cè)控網(wǎng)；建設(shè)了X波段相控陣?yán)走_(dá)等設(shè)施、采用三站聯(lián)測(cè)等技術(shù)，形成我國(guó)高速再入返回測(cè)量分系統(tǒng)；選用近地航天測(cè)控網(wǎng)、甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）測(cè)軌分系統(tǒng)、國(guó)際聯(lián)網(wǎng)測(cè)控站參加測(cè)控任務(wù)。干涉測(cè)量技術(shù)是深空測(cè)控不可或缺的高精度測(cè)量手段。我國(guó)探月工程，干涉測(cè)量由傳統(tǒng)天文觀測(cè)的VLBI模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘謫纬虦y(cè)距（Differential One-way Ranging，DOR）測(cè)量，測(cè)量精度也從CE-1的5 ns提升到CE-3的1 ns；應(yīng)用模式也出現(xiàn)了同波束干涉測(cè)量技術(shù)（Same Beam Interferometry，SBI）和相位參考干涉測(cè)量技術(shù)（Phase Referencing Interferometry，PRI）[21]。其測(cè)控與回收系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 測(cè)控與回收系統(tǒng)示意圖Fig.7 Layout of TT&C system and recover system

綜合發(fā)射窗口、軌道設(shè)計(jì)和任務(wù)分析結(jié)果，選擇月球正面北緯41.5°～44.5°、西經(jīng)56.7°～64.7°的風(fēng)暴洋東北側(cè)區(qū)域作為月面著陸和采樣區(qū)。選用我國(guó)內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)及搜索回收力量回收返回器。

以地面應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用中心和密云、昆明數(shù)據(jù)接收站為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備改造，實(shí)施科學(xué)支持任務(wù)；在科學(xué)應(yīng)用中心新建月球樣品實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展月球樣品存儲(chǔ)、處理、研究。

為滿(mǎn)足工程需要和帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，提出了艙載設(shè)備小型化、綜合化、協(xié)同化[3]的要求，取得了良好效果。

為保證新研項(xiàng)目順利開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證，完善和健全了開(kāi)發(fā)驗(yàn)證體系，開(kāi)展了93項(xiàng)條件建設(shè)及改造項(xiàng)目，建設(shè)了月面采樣地面驗(yàn)證系統(tǒng)、著陸起飛試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、月球軌道交會(huì)對(duì)接全物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)、1 m直徑高超聲速低密度風(fēng)洞等先進(jìn)大型試驗(yàn)設(shè)施。

5.2 任務(wù)過(guò)程

“嫦娥五號(hào)”工程使用“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，將月球探測(cè)器（含軌道器、著陸器、上升器、返回器）送入地月轉(zhuǎn)移軌道。在地面測(cè)控支持下，探測(cè)器經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、月面軟著陸、樣品采集和科學(xué)探測(cè)、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移、地球再入、著陸回收等過(guò)程，完成采樣返回任務(wù)。整個(gè)任務(wù)過(guò)程共11個(gè)飛行階段，如圖8所示。共采集樣品質(zhì)量 1 731 g。

圖8 “嫦娥五號(hào)”飛行過(guò)程示意圖Fig.8 Flight profile of Chang'E-5

5.3 實(shí)施效果

2020年11月24日4時(shí)30分22秒，“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器由“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道。探測(cè)器經(jīng)過(guò)兩次中途修正和兩次近月制動(dòng)后進(jìn)入環(huán)月軌道；11月30日，探測(cè)器的軌道器返回器組合體（軌返組合體）與著陸器上升器組合體（著上組合體）分離；12月1日，著上組合體安全著陸月面并按程序?qū)嵤┰旅娌蓸雍蛧?guó)旗展示等工作；12月3日，著上組合體完成月面工作后，上升器點(diǎn)火起飛進(jìn)入環(huán)月軌道；12月6日，軌道器與上升器精準(zhǔn)對(duì)接并完成樣品轉(zhuǎn)移后實(shí)施分離；軌返組合體經(jīng)環(huán)月等待后于12月12日完成月地轉(zhuǎn)移入射；軌返組合體經(jīng)兩次中途修正后，并于12月17日在距離地面約為5 000 km完成返回器、軌道器分離，返回器經(jīng)滑行、第一次再入地球大氣并躍起、自由飛行、第二次再入地球大氣等飛行階段，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸。圖9為返回器著陸現(xiàn)場(chǎng)。

圖9 返回器著陸現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Landing site of CE-5’s lander

2020年12月17日，“嫦娥五號(hào)”任務(wù)軌道器與返回器在距離地球5 000 km處實(shí)施分離，返回器攜帶月球樣品返回地球，軌道器順利執(zhí)行了規(guī)避機(jī)動(dòng)。因?yàn)橥信e“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器升空的“長(zhǎng)征五號(hào)”火箭入軌精度非常高，使得“嫦娥五號(hào)”軌道器的地月軌道修正次數(shù)減少，用于軌道修正的推進(jìn)劑實(shí)際僅消耗了原計(jì)劃的0.3%，省出大量燃料。在完成返回器護(hù)送任務(wù)后，“嫦娥五號(hào)”軌道器還剩200多kg推進(jìn)劑。經(jīng)研究，軌道器開(kāi)展實(shí)施拓展任務(wù)，啟程飛往距離地球約150萬(wàn)km的日地拉格朗日L1點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)繞飛行并開(kāi)展探測(cè)試驗(yàn)。日地L1點(diǎn)位于太陽(yáng)與地球的連線(xiàn)之間，是放置太陽(yáng)觀測(cè)站的最佳位置，航天器不會(huì)被地球或月球遮擋，可以不間斷觀測(cè)太陽(yáng)或觀測(cè)地球向陽(yáng)面。此次拓展任務(wù)目標(biāo)包括：驗(yàn)證地球—日地L1點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)；在日地L1點(diǎn)附近開(kāi)展長(zhǎng)期探測(cè)，驗(yàn)證L1點(diǎn)環(huán)繞軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)；對(duì)日地L1點(diǎn)附近光照、輻照等環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證相關(guān)分系統(tǒng)的適應(yīng)能力；擇機(jī)開(kāi)展日凌期間探測(cè)器與地面的測(cè)控通信試驗(yàn)。

3月18日，經(jīng)過(guò)約88 d的轉(zhuǎn)移旅程、2次軌道機(jī)動(dòng)和2次中途修正，軌道器成功被日地拉格朗日L1點(diǎn)捕獲，成為我國(guó)首顆進(jìn)入日地L1點(diǎn)探測(cè)軌道的航天器。日地L1點(diǎn)探測(cè)試驗(yàn)后，將根據(jù)軌道器狀態(tài)和約束條件等情況，酌情開(kāi)展其他拓展任務(wù)。

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)作為我國(guó)復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)地外天體采樣返回。任務(wù)實(shí)施過(guò)程實(shí)現(xiàn)了零差錯(cuò)、零故障，再入返回飛行試驗(yàn)和“嫦娥五號(hào)”任務(wù)均一次成功，充分說(shuō)明了方案設(shè)計(jì)的合理性和正確性。這是發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)攻堅(jiān)克難取得的又一重大成就，標(biāo)志著中國(guó)航天向前邁出的一大步，使我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)由空白進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，將為深化人類(lèi)對(duì)月球成因和太陽(yáng)系演化歷史的科學(xué)認(rèn)知做出貢獻(xiàn)。

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)使我國(guó)具備了無(wú)人地外天體往返航天工程能力，其形成的研制條件、工程方案、關(guān)鍵技術(shù)、管理模式等為我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。一方面，月球資源原位利用是月球基地等中長(zhǎng)期月球任務(wù)得以確立、執(zhí)行和應(yīng)用的基本技術(shù)保證[22]，“嫦娥五號(hào)”突破的鉆取、輸送、表取、轉(zhuǎn)移、封裝等技術(shù)，為后續(xù)構(gòu)建科考站，深化月球資源勘查、探索月球資源利用、拓展深空探測(cè)能力提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)[23]；另一方面，火星及其他行星探測(cè)與月球探測(cè)技術(shù)互補(bǔ)，有機(jī)銜接[24]，“嫦娥五號(hào)”的成功必將有力地推動(dòng)行星探測(cè)工程的發(fā)展。

5.4 主要?jiǎng)?chuàng)新

1）創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了四器組合飛行、月面采樣封裝、月面起飛上升、無(wú)人環(huán)月對(duì)接、高速跳躍返回、國(guó)內(nèi)回收的工程系統(tǒng)方案，構(gòu)建了無(wú)人地月往返無(wú)人航天工程體系。

2）提出了遙操作表取、鉆取結(jié)合的采樣方案。

3）提出了環(huán)月兩器通信、抓捕式無(wú)人對(duì)接和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)自主樣品轉(zhuǎn)移的方案。

4）設(shè)計(jì)了我國(guó)首次月面起飛技術(shù)方案。

5）形成了我國(guó)全球布局的深空測(cè)控網(wǎng)，建立了我國(guó)首個(gè)行星際返回再入測(cè)控走廊，實(shí)現(xiàn)了第二宇宙速度再入返回目標(biāo)近連續(xù)可靠跟蹤。

6）國(guó)內(nèi)首次構(gòu)建了月球樣品處理系統(tǒng)。

7）設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足強(qiáng)約束的高適應(yīng)性地月轉(zhuǎn)移火箭發(fā)射彈道。

6 結(jié) 論

在重大工程領(lǐng)域，頂層方案優(yōu)選已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜性和決策方法的局限性，使得在方案評(píng)價(jià)方面目前還沒(méi)有一種通用且有效的方法[19]。對(duì)于組成復(fù)雜、技術(shù)跨度大的航天工程，工程方案的權(quán)衡設(shè)計(jì)要統(tǒng)籌我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)與技術(shù)發(fā)展，借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)行多方面的比較，開(kāi)展多輪迭代和總體、系統(tǒng)、分系統(tǒng)等多層級(jí)的權(quán)衡，特別是關(guān)鍵環(huán)節(jié)的權(quán)衡。

深空探測(cè)面臨探測(cè)方式、飛行距離、任務(wù)周期、測(cè)控通信、動(dòng)力能源、自主運(yùn)行、先進(jìn)推進(jìn)、天體進(jìn)入與返回等多維需求[25]。在科學(xué)方面，深空探測(cè)將以科學(xué)為主要驅(qū)動(dòng)力，加深對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)，拓展人類(lèi)的知識(shí)疆界。其中，太陽(yáng)系及其行星的起源和演化是太陽(yáng)系探測(cè)的終極科學(xué)目標(biāo)，尋找地外生命和宜居環(huán)境是太陽(yáng)系探測(cè)的主要驅(qū)動(dòng)力，預(yù)防太陽(yáng)活動(dòng)和小天體撞擊對(duì)地球的災(zāi)害性影響是太陽(yáng)系探測(cè)的現(xiàn)實(shí)意義[26]。太陽(yáng)系邊際乃至更遠(yuǎn)的星際空間還有待更有效的就位探測(cè)，一個(gè)專(zhuān)門(mén)的太陽(yáng)系邊際探測(cè)計(jì)劃蘊(yùn)含著巨大的科學(xué)價(jià)值[27]。在工程技術(shù)方面，對(duì)于利用太陽(yáng)能困難的航天任務(wù)以及大功率航天任務(wù)，空間核能的利用成為必然[28]。與地面核設(shè)施相比，空間核動(dòng)力裝置的運(yùn)行環(huán)境和任務(wù)剖面不同，體積和質(zhì)量受限，無(wú)法像地面核設(shè)施一樣采取多重冗余設(shè)計(jì)和保護(hù)。因此，為安全應(yīng)用空間核動(dòng)力裝置，必須對(duì)其獨(dú)特的安全性設(shè)計(jì)加以研究，制定合適的安全原則和策略，以指導(dǎo)空間核動(dòng)力裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[29]。在人工智能方面，后續(xù)探測(cè)任務(wù)將面臨未知的環(huán)境，任務(wù)過(guò)程更加復(fù)雜，測(cè)控延時(shí)將大大增加，采用傳統(tǒng)的地面遙控指令控制方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)要求。面對(duì)未知、復(fù)雜多變的環(huán)境，探測(cè)器需要具備更高的自主性能和更強(qiáng)的適應(yīng)能力[30]。

因此，隨著探月工程四期、行星探測(cè)、太陽(yáng)系邊際探測(cè)、國(guó)際月球科研站的展開(kāi)，科學(xué)需求與工程技術(shù)的不斷發(fā)展，工程總體方案的設(shè)計(jì)難度、權(quán)衡要求也將不斷增加。本文闡述了在工程中提出的5步權(quán)衡設(shè)計(jì)方法及為“嫦娥五號(hào)”任務(wù)設(shè)計(jì)做出的貢獻(xiàn)，任務(wù)的成功也說(shuō)明了該權(quán)衡設(shè)計(jì)過(guò)程與方法的實(shí)用性和有效性，可為后續(xù)類(lèi)似任務(wù)方案設(shè)計(jì)提供借鑒，并在實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展。