嫦娥五號(hào)榮耀歸來路上，你不能錯(cuò)過的幾個(gè)關(guān)鍵

           12月17日，采擷月壤的嫦娥五姑娘榮耀歸來，穩(wěn)穩(wěn)著陸在內(nèi)蒙古四子王旗，我國首次月面自動(dòng)采樣返回任務(wù)取得圓滿成功。         

          早在任務(wù)全面啟動(dòng)之時(shí)，航天科技集團(tuán)五院作為抓總研制單位，就深感肩上的擔(dān)子很重、責(zé)任艱巨。面對(duì)關(guān)鍵技術(shù)多、任務(wù)難度大、實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)高等難題，嫦娥五號(hào)探測器研制團(tuán)隊(duì)以強(qiáng)烈的責(zé)任感和使命感，不斷開拓創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難，用圓滿成功為航天事業(yè)再立新功?；仨綔y器研制的歷歷征程，一段段成功背后的研制故事亟待著一一揭開。         

          太空怎么“打水漂”        

          眾所周知，作為我國十六項(xiàng)重大專項(xiàng)之一的探月工程，結(jié)合中國航天的實(shí)際，擬定了“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略。         

          其中，作為“繞”的偉大嘗試，“嫦娥一號(hào)”成功發(fā)射，隔著200公里的距離“遙望”月球；         

          作為探月二期的先導(dǎo)星，嫦娥二號(hào)成功發(fā)射，不僅為落月探測驗(yàn)證了部分關(guān)鍵技術(shù)，而且超額完成多次拓展任務(wù)，為后來的“嫦娥姐妹”提供了巨大的“探路”支持；         

          嫦娥三號(hào)作為我國首個(gè)在地球以外天體實(shí)施軟著陸及巡視勘察任務(wù)的航天器，成功實(shí)現(xiàn)“落”的工程目標(biāo)，邁出“三步走”中承前啟后的關(guān)鍵一步；         

          嫦娥四號(hào)則實(shí)現(xiàn)了人類首次登陸月背。         

          回顧歷次重大任務(wù)，“嫦娥姐妹”均取得了圓滿成功，但是各自歸宿因?yàn)槿蝿?wù)要求或飛向遙遠(yuǎn)深空或“永遠(yuǎn)棲身”月球，不再回到地球母親的懷抱。與幾位“姐姐”遠(yuǎn)嫁相比，此次嫦娥五號(hào)探測器無疑是個(gè)幸運(yùn)兒，因?yàn)閳?zhí)行自動(dòng)采樣返回任務(wù)而拿到了一張珍貴的地球和月球旅行的“往返票”。         

           說這張“往返票”彌足珍貴一點(diǎn)都不為過。截至目前，世界上只有美國、蘇聯(lián)的航天器以及我國嫦五T開展過繞月再入返回試驗(yàn)。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采用的再入方式——半彈道跳躍式再入返回，屬于一種特殊的彈道-升力式再入方式。這種再入方式是什么意思呢？為什么要選擇這種方式？其中有什么講究和門道兒呢？         

           返回器從月球飛回來的速度約為每秒11公里，接近第二宇宙速度，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?yàn)?，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(shù)百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠(yuǎn)的月球返回速度必然不同，且差距巨大。此外，高速進(jìn)入大氣層時(shí)將摩擦產(chǎn)生劇烈高溫，熱量急劇提升也為航天器返回帶來巨大挑戰(zhàn)。在冷靜而全面的分析上述難題和風(fēng)險(xiǎn)后，總體設(shè)計(jì)部嫦娥五號(hào)探測器的設(shè)計(jì)師們清醒地認(rèn)識(shí)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溫度，這兩只“攔路虎”是決定成敗的關(guān)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(gè)世界級(jí)的難題。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，并且為了適應(yīng)我國四子王旗內(nèi)陸著陸場帶來的長航程飛行問題，提出了一個(gè)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(jìn)入大氣層，在借助大氣阻力逐漸減速的過程中，通過調(diào)整返回器的姿態(tài)，精確控制升力的大小和方向，從而達(dá)到既將第二宇宙速度減少到第一宇宙速度，又同時(shí)借助升力躍出大氣層，然后再以第一宇宙速度再次進(jìn)入大氣層，返回地面，整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣?！眮碜钥傮w設(shè)計(jì)部的嫦娥五號(hào)探測器總體主任設(shè)計(jì)師孟占峰介紹說。然而就是這短短的旅行，卻凝結(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的跳躍，為探測器安全順利返回打牢了基礎(chǔ)。         

           氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新智慧         

           作為返回器熱防護(hù)、GNC以及回收等分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的重要輸入，氣動(dòng)技術(shù)研究工作的全面性和正確性也是返回器能否成功實(shí)施跳躍式高速再入返回的關(guān)鍵。那么嫦娥五號(hào)探測器的氣動(dòng)技術(shù)與以往航天器相比，有何特點(diǎn)，研制過程中面臨過哪些難題呢？         

           “此次任務(wù)采用近第二宇宙速度跳躍式再入返回，與返回衛(wèi)星、神舟飛船等采用的第一宇宙速度近地返回相比，氣動(dòng)問題更加復(fù)雜，再入熱環(huán)境條件更為嚴(yán)酷，對(duì)氣動(dòng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度要求更為苛刻。”來自總體設(shè)計(jì)部的青年設(shè)計(jì)師李齊介紹說，“首先，高速再入導(dǎo)致復(fù)雜流動(dòng)效應(yīng)影響增大，各種復(fù)雜流動(dòng)效應(yīng)將對(duì)返回器氣動(dòng)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；再有一點(diǎn)，由于輕小型化要求，探月三期返回器尺寸比國內(nèi)外任何一種半彈道式再入飛行器都要小很多，尺寸的減小和質(zhì)量的降低可能導(dǎo)致返回器飛行穩(wěn)定性下降，對(duì)氣動(dòng)特性預(yù)估準(zhǔn)確度等方面也提出了更高的要求?！贝送?，此次任務(wù)的返回器熱環(huán)境比返回式衛(wèi)星和神舟飛船返回艙要惡劣很多，由于高溫效應(yīng)，必須要考慮高溫輻射加熱影響，而這是返回式衛(wèi)星和神舟飛船返回艙分析再入熱環(huán)境時(shí)不需要考慮的。種種考驗(yàn)接踵而至，要解決這些問題，氣動(dòng)技術(shù)攻關(guān)勢在必行。        

           面對(duì)種種困難，總體設(shè)計(jì)部氣動(dòng)團(tuán)隊(duì)并沒有退縮。自關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段開始，團(tuán)隊(duì)就通過大量查閱、學(xué)習(xí)國內(nèi)外參考資料和技術(shù)文獻(xiàn)，從國內(nèi)外同類返回飛行器的氣動(dòng)研究成果中汲取經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)積極向院內(nèi)外系統(tǒng)專家請(qǐng)教。經(jīng)過一輪輪研究討論，一次次分析計(jì)算，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確把握了返回器氣動(dòng)研究工作難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，制定了全面而詳細(xì)的氣動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證必須解決外形、質(zhì)心和數(shù)據(jù)三大需求。為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開展了有針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)驗(yàn)證，并攜手多個(gè)國內(nèi)專業(yè)氣動(dòng)單位，開展了三十余項(xiàng)研究工作，計(jì)算/試驗(yàn)狀態(tài)超過20000個(gè)，逐步確定了返回器氣動(dòng)外形、配平質(zhì)心盒、氣動(dòng)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(jì)、仿真和試驗(yàn)提供了可靠的數(shù)據(jù)輸入。         

          最終，總體設(shè)計(jì)部氣動(dòng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了輕小型半彈道跳躍式深空高速再入返回器的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和氣動(dòng)特性研究，提出了適用于輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法和基于時(shí)變估計(jì)偏差的配平質(zhì)心盒設(shè)計(jì)方法，提出了適用于高速再入返回器的氣動(dòng)力偏差計(jì)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(dòng)特性計(jì)算方法研究等，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)空白，并在探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器任務(wù)中得到了有效驗(yàn)證，為嫦娥五號(hào)任務(wù)圓滿成功立下了汗馬功勞。         

          巧妙設(shè)計(jì)“貼心防熱衣”        

          探測器返回途中的另一個(gè)攔路虎就是溫度。         

          見過神舟飛船返回艙的人一定對(duì)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(shí)，被大氣層劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)贫傻?。“再入的速度提高一倍，再入熱量將提?-9倍”?？傮w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)師董彥芝介紹說。如此高的溫度，一旦進(jìn)入返回器的內(nèi)部，后果將不堪設(shè)想。        

           如何防熱？怎么對(duì)抗燒蝕成為必須攻克的難關(guān)。而因運(yùn)載承載能力的約束對(duì)返回器的質(zhì)量提出了嚴(yán)格限制，在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)本身采用輕量化的設(shè)計(jì)。         

           為此，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(duì)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(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)的跨越。其次，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)。         

          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(hào)探測器眾多關(guān)鍵技術(shù)中有一項(xiàng)令人拍案贊嘆的技術(shù)，讓返回器在遙遠(yuǎn)的旅程中成功抵抗溫差高達(dá)幾百度的宇宙環(huán)境和燒蝕環(huán)境，這就是總體設(shè)計(jì)部熱控設(shè)計(jì)師們攻克的異構(gòu)式環(huán)路熱管熱控技術(shù)。可別小看這套小小的環(huán)路熱管，它可是返回器可調(diào)節(jié)熱導(dǎo)的“熱開關(guān)”，是針對(duì)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溫需求兩個(gè)相互矛盾的設(shè)計(jì)約束而專門設(shè)計(jì)的，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技術(shù)難題。         

           總體設(shè)計(jì)部嫦娥五號(hào)探測器熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師寧獻(xiàn)文介紹說，為了讓返回器舒服的飛行，熱控人員可下足了功夫：根據(jù)受熱要求設(shè)計(jì)了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過尋找最冷最熱點(diǎn)，優(yōu)化熱控策略，確保器內(nèi)溫度穩(wěn)定、平均，一道道精雕細(xì)琢的操作，一個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)與施工的完美結(jié)合，最終確保了返回器冷熱自知，自由飛行。