嫦娥五號“打水漂”回家背後有四大亮點
本報記者 劉 揚
編者按：記者從國家航天局獲悉，北京時間12月17日，探月工程嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域成功着陸，標誌着我國首次地外天體採樣返回任務圓滿完成。從返回艙進行“太空打水漂”到降落在預定區域，再到月球“土特產”出艙之後的處理，都具有很高的技術含量。
亮點一：如何“在太空打水漂”
17日凌晨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公里/秒）高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度後，返回器向上躍出大氣層，到達最高點後開始滑行下降。之後，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後減速並保持姿態穩定，隨後在預定區域平穩着陸。
據介紹，中國這個“太空水漂”，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”並滑行一定距離後，調整返回器姿態，使其再次升高，隨着返回器的升高，其速度會進一步降低，然後以類似神舟飛船的返回過程返回地球，後面的過程就輕車熟路了。
中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹，採用半彈道式就是以初始的再入速度、姿態、再入角等作為再入的初始條件，通過升力控制實現對飛行軌跡的航向控制和俯仰控制，這樣就可以更準確地落在預定着落地點。所以半彈道跳躍式再入解決了落點精度問題和再入過程的力與熱的影響問題。
記者從中國航天科技集團五院獲悉，以接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。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。“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8-9倍”。航天科技集團五院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，一旦進入返回器內部後果將不堪設想。
防熱結構設計團隊為探測器設計了一件“貼心防熱衣”。針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求，提出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。
亮點二： 海陸空天保障搜索回收
時值隆冬季節，嚴寒積雪條件下夜間搜索，返回器目標體積小以及特殊的返回方式給搜索回收工作帶來很多困難。本次搜索回收任務採取了海陸空天多個維度的全方位保障。
據瞭解，和載人飛船相比，嫦娥五號返回器的體積只有飛船返回艙的約1/7，可着陸面積卻是載人飛船的16倍，在冰天雪地的夜間尋找如此小的目標可謂難上加難。
酒泉衞星發射中心研究員、着陸場系統副總設計師卞韓城表示，嫦娥五號返回器採用半彈道跳躍式返回方式，這種返回方式控制的難度非常大，導致回收區的範圍也特別大。為此，搜救人員從技術上採取了很多措施，比如將雷達的測量數據經過處理送到直升機和搜索車輛上，引導直升機和車輛搜索接近返回器，同時在直升機和搜索車輛上加裝高功率的探照燈，協助搜索人員快速發現目標。
而為了實現對返回器的快速搜索回收，還有大量鮮為人知的高科技裝備在進行全方位保障。記者從航天科工二院23所獲悉，在嫦娥五號返回器返回過程中，該所研製的兩部測量雷達承擔了高精度測量任務，併為指控中心提供即時測量數據，為前方搜救提供有效的目標落點數據。其中距離落區較遠的雷達主要用於黑障區至地面的跟蹤測量，研製人員根據十多年神舟系列飛船返回任務保駕工作經驗，着重針對黑障區內返回器對雷達存在隱身現象做了充分準備，即時上報測量數據並預報返回艙着陸點，為飛船平安着陸後第一時間搜救打下堅實基礎；回收任務最末端的跟蹤測量雷達從返回器開傘後開始對目標進行測量，為落點預報和返回器搜救提供了及時準確的數據信息。
記者從北京空間信息傳輸中心瞭解到，在着陸場搜索任務中，我國中繼衞星天鏈二號01星建立起搜救空中分隊通信直升機與北京航天飛行控制中心的信息傳輸鏈路，實現了圖像、話音、調度等業務數據的即時傳輸，為搜索任務圓滿成功奠定了堅實基礎。
而在“五姑娘”歸家的旅途中，中國衞星海上測控部所屬的遠望3號船在印度洋深處，護送嫦娥五號成功穿越“黑障”。據瞭解，遠望3號船是此次任務唯一的海上測控力量。該船圓滿完成返回器初次再入大氣層“黑障”附近的遙測、外測、光學測量等任務。
亮點三： “鋼鐵俠”喜迎“嫦娥”
記者從航天科工二院206所獲悉，該所研製的搬運外骨骼助力搜索回收分隊成功完成返回器搜索回收任務。據介紹，搬運外骨骼參加嫦娥五號返回器搜索回收任務，開創了外骨骼產品首次參加航天任務的世界創舉。
任務中，兩名身穿外骨骼的搜救回收隊員攜帶搜救設備從直升機降落點快速機動至返回器着陸點，並在返回器旁插上一面鮮豔的五星紅旗。同時，搬運外骨骼還協助搜救回收大隊在返回器周邊快速搭建應急通信、照明及電力保障體系，確保搜救回收任務快速、安全、高效完成。部分人員攜帶的設備重達40公斤，需兩人協作搬運完成，而在零下30攝氏度的雪夜荒原，低温嚴寒與極限負重對搜索人員的體力消耗帶來挑戰，此刻搬運外骨骼大顯身手。
據介紹，本次參加嫦娥五號搜索回收任務的兩套搬運外骨骼包含上肢助力模塊和下肢助力模塊。通過電動直驅助力模塊及智能步態分析算法，配合人體上下肢關節發力，降低人體能耗，為穿戴者提供上肢臂力、腰肌及臀大肌助力，幫助穿戴者承擔更大載荷，有效降低了手臂、腰臀等部位的疲勞感，適用於複雜地形下的重物握持及搬運。
研製單位向《環球時報》記者介紹，搬運外骨骼負載能力達50公斤，在負重搬運機動時可省力約60%，節約人體能耗約30%，動作識別準確率大於99.9%，可在零下40攝氏度至70攝氏度間正常工作，耐受濕度最大為98%，標配的可更換電池在綜合工況下可持續工作約4小時，為在惡劣自然環境中執行嫦娥五號搜索回收任務提供極強的產品適應性和可靠性。此外，搬運外骨骼可智能感知穿戴者肢體行為，並自適應即時調節輸出助力的大小、快慢，具有結構輕巧、穿脱方便、人機交互順暢友好、穿戴者的複雜運動行為不受限等特點，而且模塊化的設計構造，便於在應急狀態下快速維護。
亮點四： 處置“土特產”是個技術活
據國家航天局介紹，回收後的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作後，將按計劃空運至北京開艙，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移交月球樣品，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也將隨之啓動。
那嫦娥五號從月球“快遞”回來的“土特產”要如何處理呢？裴照宇介紹，首先要解封，樣品容器是在真空狀態下進行封裝的，進入地球后，要在地球環境下操作，不同於一般的罐子開封。解封之後要對樣品進行分樣，進行基本特性、物理化學特性測試。然後要進行樣品登記，給每一份樣品建立檔案。從科學研究角度看，我們將制定一個樣品管理辦法，對樣品如何管理，如何分配使用，會做出具體規定。樣品是科學研究重要的基礎物質，一方面我們會組織國內科學家對樣品進行研究，同時管理辦法中也提出積極開展樣品研究的國際合作，我們也歡迎國外科學家來開展樣品研究。
據專家介紹，樣品管理辦法中提到，要成立一個科學家委員會，向國際徵集樣品研究的方案、建議，通過科學家委員會對這些建議進行評估，分析哪些建議有科學價值，樣品使用合理，樣品的管理有序可靠。通過這種方式來決定提供哪些樣品，從事哪些研究。我們沒有提出國別限制，鼓勵科學家進行樣品的研究合作。▲