嫦五回家路：太空打水漂歸來 嫦娥五號返回器著陸技術分解

　　12月17日1時59分，嫦娥五號返回器成功著陸。這次嫦五回家路可以不一般，嫦娥妹妹是太空打水漂歸來的。

　　目前，世界上只有美國、蘇聯(lián)的航天器以及中國探月三期再入返回飛行試驗器成功開展了繞月再入返回試驗。作為我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統(tǒng)工程，嫦娥五號任務成功實現(xiàn)了多方面技術創(chuàng)新、突破了一系列關鍵技術，從太空以“打水漂”的形式帶樣返回地球，就是其中一個重大突破。

　　凌晨 1 時 33 分，嫦娥五號返回器在距地面高度約 120 公里處，以接近第二宇宙速度（約為 11.2 千米 / 秒）高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度后，返回器向上躍出大氣層，到達最高點后開始滑行下降。之后，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。在降至距地面約 10 公里高度時，返回器打開降落傘完成最后減速并保持姿態(tài)穩(wěn)定，隨后在預定區(qū)域平穩(wěn)著陸。負責搜索回收任務的測控與回收系統(tǒng)技術人員及時發(fā)現(xiàn)目標，有序開展回收工作。

　　嫦五回家路：太空打水漂歸來

　　為了讓嫦娥五號返回器能夠成功著陸，科研團隊為它設計了一條穩(wěn)妥的返回路徑：按照一個特殊的拋物線回到地球，即“半彈道跳躍式返回”，相當于在大氣層上打個“水漂”，兩次進入大氣層。

　　嫦娥五號返回器在接近大氣層時，飛行的速度將接近第二宇宙速度，即每秒11.2公里，比自近地軌道返回的第一宇宙速度（7.9km/s）快3.3km/s。

　　這一速度差帶來的動能差距不容小視，就好比在距離地面幾百公里的近地軌道和在38萬多公里外的月球拋出同一物體，結果天差地別。

　　在反復學習、研究美蘇經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)我國航天器實際情況，總體設計部的軌道設計師們決定借助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障，通過空氣摩擦產(chǎn)生的阻力實現(xiàn)減速目的，并提出了一個大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。

　　嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰介紹說：“就像在太空中打水漂，返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環(huán)環(huán)相扣。”

　　凌晨1時33分，嫦娥五號返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度進入地球大氣層，實施初次氣動減速。

　　下降至預定高度后，返回器向上躍出大氣層，到達最高點后開始滑行下降。

　　之后，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。

　　在降至距地面約10公里高度時，返回器打開降落傘完成最后減速并保持姿態(tài)穩(wěn)定，隨后在預定區(qū)域平穩(wěn)著陸。

　　在太空“打個水漂”再回來

　　很多人都試過“打水漂”，找一片薄薄的石頭或者瓦片，放低身姿，將石頭或者瓦片斜貼著水面擲出，有意思的一幕便會出現(xiàn)：石頭或者瓦片扎入水里后又會快速躍出，回到空中，再扎入水里，又回到空中……如此重復多次。

　　這次，嫦娥五號返回器就是在太空中打了“水漂”之后回來的。

　　這個“太空水漂”，航天術語叫“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進入大氣層一定“深度”并滑行一定距離后，調整返回器姿態(tài)，使其再次升高，隨著返回器的升高，其速度會進一步降底，在降到第一宇宙速度以下時返回器便不再滿足成為一顆地球衛(wèi)星的基本條件，再次開始下落，然后以類似神舟飛船的返回過程返回地球，后面的“回家”方式就輕車熟路了。

　　“為什么要采用這種‘打水漂’的形式回家呢？” 中國航天科技集團五院總體設計部嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰告訴記者，嫦娥五號返回器從月球歸來的速度是高達每秒11.2公里的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒7.9公里的第一宇宙速度，可別小看了這每秒3公里多的差距，航天器如果以過高的速度進入大氣層，摩擦產(chǎn)生的劇烈高溫將帶來極大風險，因此必須解決“減速”問題。

　　中國航天的軌道設計師們，決定借助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障，讓返回器在太空中瀟灑地打個“水漂”。

　　“返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環(huán)環(huán)相扣，在15分鐘內完成?！泵险挤逭f。

　　這短短900秒的旅行，凝結了設計師們無數(shù)的心血，一次次分析、一次次計算、一次次論證、一次次試驗……絞盡了腦汁，費盡了心思，最終成就了太空中精彩一躍，為探測器安全順利返回打牢了基礎。

　　當然，高科技加持的“太空水漂”與人們兒時在池塘邊玩耍的“打水漂”還是不同的，小時候玩的瓦片兒一旦投擲出去便不再可控，但嫦娥五號返回器的“太空水漂”全過程都是可控的。

　　五院502所專家告訴記者，嫦娥五號返回器中的計算機會根據(jù)當前的位置和速度信息，結合落點位置進行制導處理，自動規(guī)劃出一條從返回器當前位置到打開降落傘地點的最佳飛行路徑，然后通過向安裝在返回器外的發(fā)動機發(fā)送噴氣控制指令，調整返回器姿勢，使返回器沿著規(guī)劃出的軌跡飛行，最終使返回器“條條大路通落區(qū)”。

　　“可以說，在六七千公里的飛行過程中，在允許的偏差范圍內，嫦娥五號返回器可以‘自由飛翔’?！蔽逶?02所專家說。

　　回家途中高溫“攔路虎”

　　嫦娥五號返回器回家途中的另一個“攔路虎”就是高溫。

　　見過神舟飛船返回艙的人一定對它烏黑的外表印象深刻。這是返回艙從近地軌道返回地球時，被大氣層劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫燒灼而成的。

　　“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍！高速進入大氣層時摩擦產(chǎn)生劇烈高溫，熱量急劇提升為航天器返回帶來巨大挑戰(zhàn)?！敝袊教炜萍技瘓F五院總體設計部嫦娥五號探測器結構分系統(tǒng)主任設計師董彥芝說，如此高的溫度一旦進入返回器內部，后果將不堪設想。

　　如何防熱、怎么對抗燒蝕，成為必須攻克的難關。董彥芝告訴記者，因為運載承載能力的約束，嫦娥五號返回器的質量受到嚴格限制?？蒲腥藛T在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料，還需要對返回器結構本身采用輕量化的設計。

　　為此，中國航天科技集團五院總體設計部防熱結構設計團隊為探測器巧妙設計了一件“貼心防熱衣”——

　　首先，針對月球軌道返回熱環(huán)境、空間環(huán)境和重量的要求，科研人員提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成了防熱材料的布局和局部防熱結構設計，實現(xiàn)了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計跨越；

　　其次，科研人員提出了三維傳熱燒蝕分析方法，采用整體變厚度、變密度，分區(qū)域、偏軸設計方案，突破了輕量化設計關鍵技術，并利用一維燒蝕分析和三維溫度場分析相結合的數(shù)值分析方法，實現(xiàn)了用全面的局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗，為試驗任務的成功奠定了基礎。

　　董彥芝告訴記者，從防熱結構設計、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究，到工程樣機、結構器、熱控器、專項試驗驗證器、正樣器……嫦娥五號探測器的防熱“霓裳羽衣”精心“縫制”而成，成為其安全順利返回地球家園的生命保證。

　　按計劃，回收后的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作后，將空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機舉行交接儀式，正式向地面應用系統(tǒng)移交月球樣品，中國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也將隨之啟動。

　　點贊

　　嫦娥五號探測器于 11 月 24 日在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空并進入地月轉移軌道。探測器實施 2 次軌道修正、2 次近月制動，順利進入環(huán)月圓軌道。此后，探測器經(jīng)歷組合體分離、環(huán)月降軌及動力下降，著陸器和上升器組合體于 12 月 1 日在月球正面預選區(qū)域著陸并開展采樣工作。12 月 3 日，上升器點火起飛、精準入軌，于 6 日完成與軌道器和返回器組合體之間的交會對接及樣品轉移，此后按計劃分離并受控落月。12 月 12 日至 16 日，軌道器和返回器組合體在完成 2 次月地轉移入射、2 次軌道修正后，返回器于 12 月 17 日與軌道器分離并重返地球。

　　（綜合自 西陸網(wǎng) 快科技 IT之家 上海熱線）