嫦五回家路:太空打水漂归来

　　嫦五回家路:太空打水漂归来  太空怎么“打水漂”

　　我国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功，嫦娥五姑娘“太空打水漂”闯过哪些难关7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　12月17日，采撷月壤的嫦娥五姑娘荣耀归来，稳稳着陆在内蒙古四子王旗，我国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功。回眸探测器研制的历历征程，一段段成功背后的研制故事亟待着一一揭开。随记者一起听听嫦娥五号任务的抓总研制单位航天科技集团五院怎么说。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　太空怎么“打水漂”7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　作为我国十六项重大专项之一的探月工程，结合中国航天的实际，拟定了“绕、落、回”三步走战略。其中，作为“绕”的伟大尝试，“嫦娥一号”成功发射，隔着200公里的距离“遥望”月球；作为探月二期的先导星，嫦娥二号成功发射，不仅为落月探测验证了部分关键技术，而且超额完成多次拓展任务，为后来的“嫦娥姐妹”提供了巨大的“探路”支持；嫦娥三号作为我国首个在地球以外天体实施软着陆及巡视勘察任务的航天器，成功实现“落”的工程目标，迈出“三步走”中承前启后的关键一步；嫦娥四号则实现了人类首次登陆月背。回顾历次重大任务，“嫦娥姐妹”均取得了圆满成功，但是各自归宿因为任务要求或飞向遥远深空或“永远栖身”月球，不再回到地球母亲的怀抱。与几位“姐姐”远嫁相比，此次嫦娥五号探测器无疑是个幸运儿，因为执行自动采样返回任务而拿到了一张珍贵的地球和月球旅行的“往返票”。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　说这张“往返票”弥足珍贵一点都不为过。截至目前，世界上只有美国、苏联的航天器以及我国嫦五T开展过绕月再入返回试验。资料显示，国外的再入航天器共有三类：弹道式再入航天器、弹道-升力式再入航天器和升力式再入航天器。而我国的探月工程则采用了一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入返回。这一“中国特色”的再入返回是什么意思呢？为什么要选择这种方式？其中有什么讲究和门道儿呢？7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　据介绍，返回器从月球飞回来的速度是每秒11。2公里的第二宇宙速度，而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒7。9公里的第一宇宙速度，可别小看了这每秒3公里的差距。因为，就好像扔石头，同样一块石头，从一层楼扔下来的速度和从十几层楼仍下来速度肯定不一样。同理，航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回速度必然不同，且差距巨大。此外，高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温，热量急剧提升也为航天器返回带来巨大挑战。在冷静而全面的分析上述难题和风险后，总体设计部嫦娥五号探测器的设计师们清醒地认识到，要想让嫦娥五姑娘安全顺利返回地球首要解决的两大重要难题就是速度和温度，这两只“拦路虎”是决定成败的关键因素。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　首先要解决的是速度问题。究竟如何才能成功减速？这是一个世界级的难题。在反复学习、研究美苏经验的基础上，根据我国航天器实际情况，总体设计部的轨道设计师们决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障，通过空气摩擦产生的阻力实现减速目的，并提出了一个大胆的方案——半弹道跳跃式再入返回。“就像在太空中打水漂，返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后再以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面，整个过程环环相扣。”来自总体设计部的嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰介绍说。然而就是这很短的一段旅行，却凝结了设计师们无数的心血，一次次分析、一次次计算、一次次论证、一次次试验……绞尽了脑汁，费尽了心思，燃尽了灯火，染白了头发，最终成就了太空中精彩的跳跃，为探测器安全顺利返回打牢了基础。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　气动设计中的创新智慧7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　作为返回器热防护、GNC以及回收等分系统设计与仿真的重要输入，气动技术研究工作的全面性和正确性也是返回器能否成功实施跳跃式高速再入返回的关键。那么嫦娥五号探测器的气动技术与以往航天器相比，有何特点，研制过程中面临过哪些难题呢？7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　“此次任务采用近第二宇宙速度跳跃式再入返回，与返回卫星、神舟飞船等采用的第一宇宙速度近地返回相比，气动问题更加复杂，再入热环境条件更为严酷，对气动数据的精准度要求更为苛刻。”来自总体设计部的青年设计师李齐介绍说，“首先，高速再入导致复杂流动效应影响增大，各种复杂流动效应将对返回器气动力、热特性产生巨大影响；其次，由于跳跃式再入，烧蚀、燃料消耗等各种因素使得二次再入地球大气的外形适应不确定性增加；再有一点，由于轻小型化要求，探月三期返回器尺寸比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小很多，尺寸的减小和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性下降，对气动特性预估准确度等方面也提出了更高的要求。”此外，此次任务的返回器热环境比返回式卫星和神舟飞船返回舱要恶劣很多，由于高温效应，必须要考虑高温辐射加热影响，而这是返回式卫星和神舟飞船返回舱分析再入热环境时不需要考虑的。种种考验接踵而至，要解决这些问题，气动技术攻关势在必行。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　面对种种困难，总体设计部气动团队并没有退缩。自关键技术攻关阶段开始，团队就通过大量查阅、学习国内外参考资料和技术文献，从国内外同类返回飞行器的气动研究成果中汲取经验，同时积极向院内外系统专家请教。经过一轮轮研究讨论，一次次分析计算，设计团队准确把握了返回器气动研究工作难点和关键点，制定了全面而详细的气动研究大纲。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　要想突破半弹道跳跃式高速再入返回技术，气动设计、分析与验证必须解决外形、质心和数据三大需求。为此，设计团队开展了有针对性的技术攻关与试验验证，并携手多个国内专业气动单位，开展了三十余项研究工作，计算/试验状态超过20000个，逐步确定了返回器气动外形、配平质心盒、气动标称数据库及其偏差范围，为相关分系统设计、仿真和试验提供了可靠的数据输入。7C4鄂东网|www.xianzhaiwang.cn

　　最终，总体设计部气动设计团队完成了轻小型半弹道跳跃式深空高速再入返回器的气动外形设计和气动特性研究，提出了适用于轻小型跳跃式高速再入返回器的气动外形设计方法和基于时变估计偏差的配平质心盒设计方法，提出了适用于高速再入返回器的气动力偏差计算方法，完成了适用于第二宇宙速度再入的高空跨流域气动特性计算方法研究等，突破了多项关键技术，填补了多项国内空白，并在探月三期再入返回飞行试验器任务中得到了有效验证，为嫦娥五号任务圆满成功立下了汗马功劳。

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