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嫦娥五号轨道器携带返回器从月球返回

新京报 2020-12-17 09:55:39
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出发容易回家难,嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家?

嫦娥五号轨道器携带返回器从月球返回

嫦娥五号轨道器(黄色)携带返回器(白色)从月球返回,在地面5000公里上空分离,返回器返回地球(模拟图)。图/航天科技集团八院

新京报讯(记者倪伟)12月17日凌晨,出发23天的嫦娥五号返回器着陆在内蒙古四子王旗着陆场,我国首次月球采样任务获得成功。

深夜苍穹中,嫦娥五号的回家之路蕴含着重重威胁:返回器能否准确回到着陆区域上空?降落伞能否准时打开并切断?在通信的“黑障区”,航天器能否作出自主判断?

最具不确定性的一环,是返回器将两次进入大气层,仿佛打了个水漂。这个“水漂”会不会让它滑得太远,以至于找不到家?

这个“水漂”学名是“半弹道跳跃式再入返回”,是比航天员返回还要复杂的技术。在嫦娥五号任务的尾声,这场太空“水漂”贡献了最后一幕惊险的表演。

地球家门难进

今天凌晨,在到达地球5000公里之外时,嫦娥五号的“快递小哥”轨道器与“月球快件”返回器分离,小小的返回器携带2千克月球样品,独自踏上回家路。

返回器以11.2公里/秒的第二宇宙速度急速冲向地球,在距离地面120公里高度,像一颗弹头扎入大气层。很快,借助大气层的升力,弹头又跃了出来,回到太空。到达最高点之后,再次下降,二度进入大气层。

一出一进,返回器慢了下来,从第二宇宙速度降到8公里/秒左右的第一宇宙速度。接下来,它跟以前的神舟飞船返回舱一样,一边穿越大气层一边减速,在地面十公里上空打开降落伞,缓缓坠地。

回收神舟飞船返回舱,四子王旗着陆场已经驾轻就熟,而这次回收,让着陆场面临新的难题。差别主要在于速度。

“神舟飞船从200公里左右的近地轨道返回,嫦娥五号则是从38万公里之外的月球飞回,速度要快得多。”航天技术专家、空气动力学家黄志澄告诉新京报记者,如果采用神舟飞船同样的防热技术和返回方式,一不小心,返回器可能会撞毁或者烧坏。

漫漫征途,不能在家门口摔倒。

安全返回,一直是嫦娥五号任务的几大难点之一。早在十年前嫦娥五号立项之初,航天专家就为此头疼。中国探月工程副总设计师于登云曾回忆,以王礼恒院士为代表的航天专家认为,嫦娥五号高速返回是我国首次尝试,与任务成败息息相关,如果不事先验证,风险是巨大的。

为此,在嫦娥一号到五号探测器之外,嫦娥工程中增加了唯一一次试验飞行任务,专门验证嫦娥五号的返回方案。这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器——“嫦娥-5T”任务。

“嫦娥-5T”当年没有落月,在月球飞了几圈之后便返回地球,重头戏是在地球大气层打个“水漂”,先降速再返回。

这种“半弹道跳跃式再入返回”技术方案,使结构和防热系统的压力都得到缓解,也使航程和落点达到理想的结果。这次,嫦娥五号返回器就是这么回来的。

嫦娥五号轨道器携带返回器从月球返回

探月三期再入返回飞行试验器返回过程和轨迹。图/《中国科学》杂志

“太空水漂”返回术

从月球高速返回,人类并没有多少可选的路径。要么“硬冲”,也就是弹道式再入;要么借助大气层摩擦力缓冲,先减一次速,也就是半弹道跳跃式再入。

苏联于1968年发射的探测器6号完成绕月飞行后,首次实现了跳跃式再入返回,随后美国阿波罗飞船带着航天员和样品返回时,也采用这种方式。而苏联的“月球”系列、美国的“星尘”和“起源”,以及日本的“隼鸟”等无人深空探测器,采用了较简单的弹道式再入方式,也就是直接返回。

两种方式各有优劣。采用弹道式直接再入的返回舱,无法进行姿态和轨道的调节,对轨道设计、分离释放和落点预报能力要求很高;而半弹道跳跃式的返回舱比较灵活,但系统配置和制导控制方案更为复杂,质量也要大得多。

从全球来看,无人采样返回任务中两种方式都采用过,载人深空探测任务则采用半弹道跳跃式再入方式。

解决完返回方式的问题,嫦娥五号还需要应对一个致命的威胁——高温。

黄志澄告诉新京报记者,防热是这次返回中嫦娥五号面对的大难题。由于返回速度过高,若防热技术不过关,有可能在大气层高速摩擦中烧毁。另外,跳跃式再入方式使得防热结构表面经历高温、低温、再次高温的历程,热冲击有可能导致防热层表面开裂。

防热设计有两个重要的目标:降低热流密度和总加热量。热流密度过大,可能烧穿返回器头部和一些部位。热流密度与半径的开方值成反比,也就是说,物体越小热流密度越大。此次嫦娥五号返回器比神舟返回舱小得多,只有后者的七分之一,降低热流密度难度陡增。而总加热量越大,防热系统就要设计得越厚、越重,为了给航天器减重,必须控制总加热量。

“另外,再入轨道和防热系统的设计,还要尽可能降低过载和提高落点精度。”黄志澄说。过载就是加速度,过载如果太大,不仅航天员的身体受不了,月壤在返回器内也可能受到影响。

嫦娥五号轨道器携带返回器从月球返回

嫦娥五号返回器再入大气层(模拟图)。图/航天科技集团八院

为载人登月练功夫

黄志澄认为,嫦娥五号之所以要攻克“打水漂”的难题,是为了兼顾长远目标,为未来更复杂的深空探测返回积累经验。“未来如果从火星等更远的星球采样返回,速度会更快,我们积累了多种返回技术,可以让未来有更多选择。”

此次嫦娥五号的任务,主要是完成月球采样返回。但其蕴含的多项技术创新,有着提前探路的考虑。比如,月球轨道上的交会对接,很可能就是载人登月交会对接的雏形。据官方介绍,嫦娥五号三大工程目标之一,就是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

于登云说,中国通过这次无人采样返回兼顾了两件事,这是中国方案最大的亮点。

嫦娥五号的返回,建立在我国近50年的航天器返回基础之上。中国最早的航天器返回始于上世纪60年代末的探空火箭,后来经历返回式卫星、飞船返回舱,技术一步步成熟。

未来,中国还将面临更复杂的返回任务。嫦娥一号卫星总设计师叶培建、嫦娥五号探测器总设计师杨孟飞等人曾在论文中提出,火星巡视探测、有大气天体的进入探测乃至载人登月等,都将面临进入和再入的难题。在深空探测再入返回和有大气天体进入技术方面,我国还应继续深入开展研究,包括气动外形、防热材料、导航手段、降落伞、测控等环节。

“月球很特殊,表面没有大气,因此不存在进入的问题。但是未来探测器如果要进入有大气的星球,比如火星,在着陆时就会面临同样的考验。”黄志澄说,嫦娥五号的探索,让我们手握更多打开深空之门的钥匙。

新京报记者倪伟

编辑陈思校对李立军

责任编辑:卢书敏 CN069
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