12月17日1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)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(yàn)器成功開展了繞月再入返回試驗(yàn)。作為我國復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，嫦娥五號(hào)任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)了多方面技術(shù)創(chuàng)新、突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，從太空以“打水漂”的形式帶樣返回地球，就是其中一個(gè)重大突破。

　　凌晨 1 時(shí) 33 分，嫦娥五號(hào)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(jìn)入地球大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。下降至預(yù)定高度后，返回器向上躍出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)后開始滑行下降。之后，返回器再次進(jìn)入大氣層，實(shí)施二次氣動(dòng)減速。在降至距地面約 10 公里高度時(shí)，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(yù)定區(qū)域平穩(wěn)著陸。負(fù)責(zé)搜索回收任務(wù)的測控與回收系統(tǒng)技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，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(hào)返回器能夠成功著陸，科研團(tuán)隊(duì)為它設(shè)計(jì)了一條穩(wěn)妥的返回路徑：按照一個(gè)特殊的拋物線回到地球，即“半彈道跳躍式返回”，相當(dāng)于在大氣層上打個(gè)“水漂”，兩次進(jìn)入大氣層。

　　嫦娥五號(hào)返回器在接近大氣層時(shí)，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(dòng)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(jié)果天差地別。

　　在反復(fù)學(xué)習(xí)、研究美蘇經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國航天器實(shí)際情況，總體設(shè)計(jì)部的軌道設(shè)計(jì)師們決定借助地球大氣層這個(gè)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(shí)現(xiàn)減速目的，并提出了一個(gè)大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。

　　嫦娥五號(hào)探測器總體主任設(shè)計(jì)師孟占峰介紹說：“就像在太空中打水漂，返回器先是高速進(jìn)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(gè)過程環(huán)環(huán)相扣?！?/p>

　　凌晨1時(shí)33分，嫦娥五號(hào)返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度進(jìn)入地球大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。

　　下降至預(yù)定高度后，返回器向上躍出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)后開始滑行下降。

　　之后，返回器再次進(jìn)入大氣層，實(shí)施二次氣動(dòng)減速。

　　在降至距地面約10公里高度時(shí)，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(yù)定區(qū)域平穩(wěn)著陸。

　　在太空“打個(gè)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(huì)出現(xiàn)：石頭或者瓦片扎入水里后又會(huì)快速躍出，回到空中，再扎入水里，又回到空中……如此重復(fù)多次。

　　這次，嫦娥五號(hào)返回器就是在太空中打了“水漂”之后回來的。

　　這個(gè)“太空水漂”，航天術(shù)語叫“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進(jìn)入大氣層一定“深度”并滑行一定距離后，調(diào)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(huì)進(jìn)一步降底，在降到第一宇宙速度以下時(shí)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(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部嫦娥五號(hào)探測器總體主任設(shè)計(jì)師孟占峰告訴記者，嫦娥五號(hào)返回器從月球歸來的速度是高達(dá)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(jìn)入大氣層，摩擦產(chǎn)生的劇烈高溫將帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，因此必須解決“減速”問題。

　　中國航天的軌道設(shè)計(jì)師們，決定借助地球大氣層這個(gè)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(gè)“水漂”。

　　“返回器先是高速進(jìn)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(gè)過程環(huán)環(huán)相扣，在15分鐘內(nèi)完成?！泵险挤逭f。

　　這短短900秒的旅行，凝結(jié)了設(shè)計(jì)師們無數(shù)的心血，一次次分析、一次次計(jì)算、一次次論證、一次次試驗(yàn)……絞盡了腦汁，費(fèi)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(chǔ)。

　　當(dāng)然，高科技加持的“太空水漂”與人們兒時(shí)在池塘邊玩耍的“打水漂”還是不同的，小時(shí)候玩的瓦片兒一旦投擲出去便不再可控，但嫦娥五號(hào)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(hào)返回器中的計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的位置和速度信息，結(jié)合落點(diǎn)位置進(jìn)行制導(dǎo)處理，自動(dòng)規(guī)劃出一條從返回器當(dāng)前位置到打開降落傘地點(diǎn)的最佳飛行路徑，然后通過向安裝在返回器外的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送噴氣控制指令，調(diào)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(nèi)，嫦娥五號(hào)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(hào)返回器回家途中的另一個(gè)“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(shí)，被大氣層劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)贫傻摹?/p>

　　“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍！高速進(jìn)入大氣層時(shí)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(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部嫦娥五號(hào)探測器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師董彥芝說，如此高的溫度一旦進(jìn)入返回器內(nèi)部，后果將不堪設(shè)想。

　　如何防熱、怎么對抗燒蝕，成為必須攻克的難關(guān)。董彥芝告訴記者，因?yàn)檫\(yùn)載承載能力的約束，嫦娥五號(hào)返回器的質(zhì)量受到嚴(yán)格限制?？蒲腥藛T在設(shè)計(jì)過程中不僅需要新型低密度防熱材料，還需要對返回器結(jié)構(gòu)本身采用輕量化的設(shè)計(jì)。

　　為此，中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為探測器巧妙設(shè)計(jì)了一件“貼心防熱衣”——

　　首先，針對月球軌道返回?zé)岘h(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(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(jì)，實(shí)現(xiàn)了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，突破了輕量化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了用全面的局部燒蝕試驗(yàn)代替整器燒蝕試驗(yàn)，為試驗(yàn)任務(wù)的成功奠定了基礎(chǔ)。

　　董彥芝告訴記者，從防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究，到工程樣機(jī)、結(jié)構(gòu)器、熱控器、專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證器、正樣器……嫦娥五號(hào)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(jì)劃，回收后的嫦娥五號(hào)返回器在完成必要的地面處理工作后，將空運(yùn)至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機(jī)舉行交接儀式，正式向地面應(yīng)用系統(tǒng)移交月球樣品，中國首次地外天體樣品儲(chǔ)存、分析和研究相關(guān)工作也將隨之啟動(dòng)。

　　點(diǎn)贊

　　嫦娥五號(hào)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(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。探測器實(shí)施 2 次軌道修正、2 次近月制動(dòng)，順利進(jìn)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(dòng)力下降，著陸器和上升器組合體于 12 月 1 日在月球正面預(yù)選區(qū)域著陸并開展采樣工作。12 月 3 日，上升器點(diǎn)火起飛、精準(zhǔn)入軌，于 6 日完成與軌道器和返回器組合體之間的交會(huì)對接及樣品轉(zhuǎn)移，此后按計(jì)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(zhuǎn)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）