“挖土”歸來 嫦娥五號闖過了幾道關(guān)

“嫦娥五姑娘”回來了！

12月17日凌晨，它帶著中國科學(xué)家夢寐以求的月球樣本，穩(wěn)穩(wěn)降落在內(nèi)蒙古四子王旗，宣告了我國首次月面自動采樣返回任務(wù)取得圓滿成功。

12月17日，工作人員在北京航天飛行控制中心嫦娥五號任務(wù)飛控現(xiàn)場觀看返回器攜帶月球樣品安全著陸。 新華社記者 岳月偉攝

不過，榮耀歸來的道路并非坦途。你可知道嫦娥五號回家邁過了幾道坎？

它的“娘家”——中國航天科技集團五院向科技日報記者進行了介紹。

怎樣在大氣層表面“打水漂”

與幾位“姐姐”相比，嫦娥五號拿到的是一張地月旅行“往返票”。

這張票彌足珍貴。此前，全世界只有美國、蘇聯(lián)的航天器，以及我國的嫦娥五號再入返回飛行試驗器實現(xiàn)過繞月再入返回。

資料顯示，國外再入航天器共有3類：彈道式再入航天器、彈道—升力式再入航天器和升力式再入航天器。

而中國探月工程則采用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。

近地軌道航天器再入返回大氣層時，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來，速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。

每秒3公里多的速度差，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號沖勁過猛，一頭撞向地球，整個任務(wù)都將前功盡棄。

要避免這種風(fēng)險，首先要解決速度的問題。

這是一個世界級難題。科研人員在反復(fù)學(xué)習(xí)和研究美、蘇經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國航天器實際情況，決定借助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障。

他們提出了一個大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。

“就像在太空中打水漂一樣，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。”五院嫦娥五號探測器總體主任設(shè)計師孟占峰介紹說。

2014年，我國發(fā)射探月三期再入返回飛行試驗器，模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程，并對跳躍式再入返回技術(shù)進行了成功驗證，使我國成為繼美、蘇之后，世界第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。

返回氣動設(shè)計比神舟飛船更復(fù)雜

嫦娥五號能否成功打出一個漂亮的“水漂”，關(guān)鍵在于氣動技術(shù)研究工作的全面性和正確性。

五院總體部設(shè)計師李齊介紹，相比近地軌道航天器返回，嫦娥五號面臨的氣動問題更加復(fù)雜，再入熱環(huán)境條件更為嚴(yán)酷，對氣動數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度要求更為苛刻。

首先，高速再入會導(dǎo)致復(fù)雜流動效應(yīng)影響增大，各種復(fù)雜流動效應(yīng)將對返回器氣動力、熱特性產(chǎn)生巨大影響。

其次，由于跳躍式再入，燒蝕、燃料消耗等各種因素，使得二次再入地球大氣的外形適應(yīng)不確定性增加。

第三，由于輕小型化要求，嫦娥五號返回器尺寸比國內(nèi)外任何一種半彈道式再入飛行器都要小很多。尺寸的減小、質(zhì)量的降低，可能導(dǎo)致返回器飛行穩(wěn)定性下降，對氣動特性預(yù)估準(zhǔn)確度等方面提出了更高要求。

此外，相比返回式衛(wèi)星和神舟飛船返回艙，本次任務(wù)中返回器面臨的熱環(huán)境要惡劣得多。由于高溫效應(yīng)，必須要考慮高溫輻射加熱影響，而這是近地軌道航天器分析再入熱環(huán)境時不需要考慮的。

面對重重考驗，五院總體部氣動團隊開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，從國內(nèi)外同類返回飛行器的氣動研究成果中汲取經(jīng)驗，同時積極向院內(nèi)外系統(tǒng)專家請教，終于準(zhǔn)確把握了返回器氣動研究工作難點和關(guān)鍵點，制定了全面詳細(xì)的氣動研究大綱。

要想突破半彈道跳躍式高速再入返回技術(shù)，氣動設(shè)計、分析與驗證必須解決外形、質(zhì)心和數(shù)據(jù)三大需求。氣動團隊攜手多個國內(nèi)專業(yè)氣動單位，開展了30余項研究工作，計算/試驗狀態(tài)超過20000個，逐步確定了返回器氣動外形、配平質(zhì)心盒、氣動標(biāo)稱數(shù)據(jù)庫及其偏差范圍，為相關(guān)分系統(tǒng)設(shè)計、仿真和試驗提供了可靠的數(shù)據(jù)輸入。

最終，他們完成了相關(guān)研究，提出了適用于輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動外形設(shè)計方法、基于時變估計偏差的配平質(zhì)心盒設(shè)計方法，以及適用于高速再入返回器的氣動力偏差計算方法，完成了適用于第二宇宙速度再入的高空跨流域氣動特性計算方法研究等；同時突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，填補了多項國內(nèi)空白，并在探月三期再入返回飛行試驗器任務(wù)中得到了有效驗證，為嫦娥五號任務(wù)圓滿成功立下了汗馬功勞。

又要隔熱又要散熱，怎么解？

高溫是嫦娥五號返回途中的另一道難關(guān)。

如果你見過神舟飛船返回艙，一定會對它那烏黑的外表印象深刻，這是被大氣層劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)贫傻摹?/p>

而嫦娥五號遇到的溫度將會更高。五院嫦娥五號探測器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計師董彥芝介紹說，如果返回器再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍。

如此高溫一旦進入返回器內(nèi)部，后果將不堪設(shè)想。防熱成為必須攻克的難題。

由于要保證運載承載能力，嫦娥五號返回器的質(zhì)量受到了嚴(yán)格限制。不僅要求返回器結(jié)構(gòu)本身采用輕量化設(shè)計，還需要采用新型低密度防熱材料。

為此，五院總體部防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊針對月球軌道返回?zé)岘h(huán)境、空間環(huán)境和重量的要求，提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標(biāo)，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(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了我國防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計由近地軌道再入到深空軌道再入的跨越。

同時他們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(shè)計方案，突破了輕量化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，并利用一維燒蝕分析和三維溫度場分析相結(jié)合的數(shù)值分析方法，實現(xiàn)了用局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗，為任務(wù)成功奠定了基礎(chǔ)。

從防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究，到工程樣機、結(jié)構(gòu)器、熱控器、專項試驗驗證器……設(shè)計團隊為嫦娥五號精心“縫制”了一件“貼心防熱衣”，成為它安全順利返回家園的生命保證。

在返回大氣層對抗燒蝕環(huán)境之前，嫦娥五號在飛行過程中還有大熱耗散熱需求。隔熱與散熱，聽起來幾乎是不可調(diào)和的矛盾。

然而五院總體部熱控設(shè)計師們攻克了異構(gòu)式環(huán)路熱管熱控技術(shù)，相當(dāng)于給返回器增加了可調(diào)節(jié)熱導(dǎo)的“熱開關(guān)”，有效解決了返回器再入大氣前的大熱耗散熱、熱導(dǎo)調(diào)節(jié)和再入過程中熱阻斷的難題。

太空飛行期間，嫦娥五號還面臨著溫差高達數(shù)百度的宇宙環(huán)境。五院嫦娥五號探測器熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計師寧獻文介紹，為了讓嫦娥五號舒適地飛行，熱控人員根據(jù)受熱要求為它設(shè)計了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過尋找最冷最熱點，優(yōu)化熱控策略，確保器內(nèi)溫度穩(wěn)定而平均。