我國首次月面自動採樣返回任務取得圓滿成功，嫦娥五姑娘“太空打水漂”闖過哪些難關

【環球時報-環球網報道 記者劉揚  通訊員 龐丹】12月17日，採擷月壤的嫦娥五姑娘榮耀歸來，穩穩着陸在內蒙古四子王旗，我國首次月面自動採樣返回任務取得圓滿成功。回眸探測器研製的歷歷征程，一段段成功背後的研製故事亟待着一一揭開。隨記者一起聽聽嫦娥五號任務的抓總研製單位航天科技集團五院怎麼説。

太空怎麼“打水漂”

作為我國十六項重大專項之一的探月工程，結合中國航天的實際，擬定了“繞、落、回”三步走戰略。其中，作為“繞”的偉大嘗試，“嫦娥一號”成功發射，隔着200公里的距離“遙望”月球；作為探月二期的先導星，嫦娥二號成功發射，不僅為落月探測驗證了部分關鍵技術，而且超額完成多次拓展任務，為後來的“嫦娥姐妹”提供了巨大的“探路”支持；嫦娥三號作為我國首個在地球以外天體實施軟着陸及巡視勘察任務的航天器，成功實現“落”的工程目標，邁出“三步走”中承前啓後的關鍵一步；嫦娥四號則實現了人類首次登陸月背。回顧歷次重大任務，“嫦娥姐妹”均取得了圓滿成功，但是各自歸宿因為任務要求或飛向遙遠深空或“永遠棲身”月球，不再回到地球母親的懷抱。與幾位“姐姐”遠嫁相比，此次嫦娥五號探測器無疑是個幸運兒，因為執行自動採樣返回任務而拿到了一張珍貴的地球和月球旅行的“往返票”。

説這張“往返票”彌足珍貴一點都不為過。截至目前，世界上只有美國、蘇聯的航天器以及我國嫦五T開展過繞月再入返回試驗。資料顯示，國外的再入航天器共有三類：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。而我國的探月工程則採用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。這一“中國特色”的再入返回是什麼意思呢？為什麼要選擇這種方式？其中有什麼講究和門道兒呢？

據介紹，返回器從月球飛回來的速度是每秒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公里的差距。因為，就好像扔石頭，同樣一塊石頭，從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓仍下來速度肯定不一樣。同理，航天器從數百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠的月球返回速度必然不同，且差距巨大。此外，高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高温，熱量急劇提升也為航天器返回帶來巨大挑戰。在冷靜而全面的分析上述難題和風險後，總體設計部嫦娥五號探測器的設計師們清醒地認識到，要想讓嫦娥五姑娘安全順利返回地球首要解決的兩大重要難題就是速度和温度，這兩隻“攔路虎”是決定成敗的關鍵因素。

首先要解決的是速度問題。究竟如何才能成功減速？這是一個世界級的難題。在反覆學習、研究美蘇經驗的基礎上，根據我國航天器實際情況，總體設計部的軌道設計師們決定藉助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障，通過空氣摩擦產生的阻力實現減速目的，並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，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，然後再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣。”來自總體設計部的嫦娥五號探測器總體主任設計師孟佔峯介紹説。然而就是這很短的一段旅行，卻凝結了設計師們無數的心血，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，燃盡了燈火，染白了頭髮，最終成就了太空中精彩的跳躍，為探測器安全順利返回打牢了基礎。

氣動設計中的創新智慧

作為返回器熱防護、GNC以及回收等分系統設計與仿真的重要輸入，氣動技術研究工作的全面性和正確性也是返回器能否成功實施跳躍式高速再入返回的關鍵。那麼嫦娥五號探測器的氣動技術與以往航天器相比，有何特點，研製過程中面臨過哪些難題呢？

“此次任務採用近第二宇宙速度跳躍式再入返回，與返回衞星、神舟飛船等採用的第一宇宙速度近地返回相比，氣動問題更加複雜，再入熱環境條件更為嚴酷，對氣動數據的精準度要求更為苛刻。”來自總體設計部的青年設計師李齊介紹説，“首先，高速再入導致複雜流動效應影響增大，各種複雜流動效應將對返回器氣動力、熱特性產生巨大影響；其次，由於跳躍式再入，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不確定性增加；再有一點，由於輕小型化要求，探月三期返回器尺寸比國內外任何一種半彈道式再入飛行器都要小很多，尺寸的減小和質量的降低可能導致返回器飛行穩定性下降，對氣動特性預估準確度等方面也提出了更高的要求。”此外，此次任務的返回器熱環境比返回式衞星和神舟飛船返回艙要惡劣很多，由於高温效應，必須要考慮高温輻射加熱影響，而這是返回式衞星和神舟飛船返回艙分析再入熱環境時不需要考慮的。種種考驗接踵而至，要解決這些問題，氣動技術攻關勢在必行。

面對種種困難，總體設計部氣動團隊並沒有退縮。自關鍵技術攻關階段開始，團隊就通過大量查閲、學習國內外參考資料和技術文獻，從國內外同類返回飛行器的氣動研究成果中汲取經驗，同時積極向院內外系統專家請教。經過一輪輪研究討論，一次次分析計算，設計團隊準確把握了返回器氣動研究工作難點和關鍵點，制定了全面而詳細的氣動研究大綱。

要想突破半彈道跳躍式高速再入返回技術，氣動設計、分析與驗證必須解決外形、質心和數據三大需求。為此，設計團隊開展了有針對性的技術攻關與試驗驗證，並攜手多個國內專業氣動單位，開展了三十餘項研究工作，計算/試驗狀態超過20000個，逐步確定了返回器氣動外形、配平質心盒、氣動標稱數據庫及其偏差範圍，為相關分系統設計、仿真和試驗提供了可靠的數據輸入。

最終，總體設計部氣動設計團隊完成了輕小型半彈道跳躍式深空高速再入返回器的氣動外形設計和氣動特性研究，提出了適用於輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動外形設計方法和基於時變估計偏差的配平質心盒設計方法，提出了適用於高速再入返回器的氣動力偏差計算方法，完成了適用於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，突破了多項關鍵技術，填補了多項國內空白，並在探月三期再入返回飛行試驗器任務中得到了有效驗證，為嫦娥五號任務圓滿成功立下了汗馬功勞。

巧妙設計“貼心防熱衣”

探測器返回途中的另一個攔路虎就是温度。

見過神舟飛船返回艙的人一定對那身烏黑的外表印象深刻。之所以全身烏黑是返回艙從近地軌道返回地球時，被大氣層劇烈摩擦產生的高温燒灼而成的。“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8-9倍”。總體設計部嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝介紹説。如此高的温度，一旦進入返回器的內部，後果將不堪設想。

如何防熱？怎麼對抗燒蝕成為必需攻克的難關。而因運載承載能力的約束對返回器的質量提出了嚴格限制，在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料，而且還需要返回器結構本身採用輕量化的設計。

為此，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境、空間環境和重量的要求，提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成了防熱材料的佈局和局部防熱結構設計，實現了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計的跨越。其次，提出了三維傳熱燒蝕分析方法，採用整體變厚度、變密度，分區域、偏軸設計方案，突破了輕量化設計關鍵技術，並利用一維燒蝕分析和三維温度場分析相結合的數值分析方法，實現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。

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“縫製”而成，成為安全順利返回地球家園的生命保證。

知冷知熱自在飛

在嫦娥五號探測器眾多關鍵技術中有一項令人拍案讚歎的技術，讓返回器在遙遠的旅程中成功抵抗温差高達幾百度的宇宙環境和燒蝕環境，這就是總體設計部熱控設計師們攻克的異構式環路熱管熱控技術。可別小看這套小小的環路熱管，它可是返回器可調節熱導的“熱開關”，是針對返回器再入大氣前大熱耗散熱需求與再入過程中隔絕燒蝕高温需求兩個相互矛盾的設計約束而專門設計的，有效解決了返回器再入大氣前的大熱耗散熱、熱導調節和再入過程中熱阻斷的技術難題。

總體設計部嫦娥五號探測器熱控分系統主任設計師寧獻文介紹説，為了讓返回器舒服的飛行，熱控人員可下足了功夫：根據受熱要求設計了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過尋找最冷最熱點，優化熱控策略，確保器內温度穩定、平均，一道道精雕細琢的操作，一個個設計與施工的完美結合，最終確保了返回器冷熱自知，自由飛行。