中国第一次月球自动采样返回任务圆满成功(中国第一次登录月球)

【环球时报-环球网报道 记者刘扬 通讯员 庞丹12月17日，嫦娥五姑娘荣耀归来，稳步登陆内蒙古四子王旗。中国第一次月球自动采样返回任务取得了圆满成功。回顾探测器开发的历史旅程，成功背后的开发故事需要逐一揭开。与记者一起听嫦娥五号任务总开发单位航天科技集团第五医院怎么说。

太空怎么“打水漂”

探月工程作为中国十六大专项之一，结合中国航天的实际情况，制定了探月工程“绕、落、回”三步走战略。其中，作为“绕”伟大的尝试，“嫦娥一号”成功发射，距离200公里“遥望”月球；嫦娥二号作为探月二期的先导星，成功发射，不仅验证了一些落月探测的关键技术，还超额完成了多项扩展任务，为后来的“嫦娥姐妹”提供巨大的“探路”支持；嫦娥三号作为中国第一个在地球以外天体实施软着陆和巡逻勘察任务的航天器，成功实现“落”工程目标，迈出“三步走”嫦娥四号实现了人类第一次登陆月背。回顾以往的重大任务，“嫦娥姐妹”他们都取得了圆满的成功，但由于任务要求或飞向遥远的深空或“永远栖身”月球，不再回到地球母亲的怀抱。与几位“姐姐”与远嫁相比，嫦娥五号探测器无疑是一个幸运的人，因为执行自动采样返回任务，获得了一个珍贵的地球和月球之旅“往返票”。

说这张“往返票”弥足珍贵并不过分。到目前为止，世界上只有美国、苏联航天器和中国嫦五T进行了绕月回归试验。资料显示，国外的再入航天器共有三类：弹道式再入航天器、弹道-升力式再入航天器和升力式再入航天器。我国探月工程采用了全新的再入方式——半弹道跳跃式回归。这一“中国特色”再入返回是什么意思？为什么要选择这种方式？有哪些讲究和门道？

据报道，返回器从月球飞回的速度是每秒11.2公里的第二宇宙速度，而通常从近地轨道返回的航天器速度大多是每秒7.9公里的第一宇宙速度。不要低估每秒3公里的差距。因为，就像扔石头一样，同一块石头，从一楼扔下来的速度肯定和从十几层楼下来的速度不一样。同样，航天器从数百公里高的近地轨道返回，必然不同于38万公里远的月球返回速度，差距巨大。此外，摩擦在高速进入大气层时会产生剧烈的高温，热量的急剧增加也给航天器返回带来了巨大的挑战。在冷静全面地分析了上述问题和风险后，嫦娥五号探测器的设计师们清楚地意识到，速度和温度是嫦娥五号女孩安全顺利返回地球的两个重要问题。“拦路虎”是决定成败的关键因素。

速度问题首先要解决。怎样才能成功减速？这是一个世界级的问题。在反复学习、研究美苏经验的基础上，根据我国航天器实际情况，总体设计部的轨道设计师们决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障，通过空气摩擦产生的阻力实现减速目的，并提出了一个大胆的方案——半弹道跳跃式回归。“就像在太空中漂浮一样，返回器首先高速进入大气层，然后借助大气层提供的升力跳出大气层，然后以第一宇宙的速度进入大气层，返回地面，整个过程相互联系。”嫦娥五号探测器总设计师孟占峰说，来自总设计部。然而，这段短暂的旅程凝聚了设计师无数的努力，一次又一次的分析、计算、论证和实验……绞尽脑汁，煞费苦心，燃尽灯光，染白头发，最终在太空中实现了精彩的跳跃，为探测器的安全顺利返回奠定了坚实的基础。

气动设计中的创新智慧

作为返回器的热保护，GNC以及回收等分系统设计和模拟的重要输入，气动技术研究的全面性和正确性也是回收器成功实施跳跃式高速回收的关键。那么，嫦娥五号探测器的气动技术与以往的航天器相比，在开发过程中遇到了什么特点和问题呢？

“这项任务采用了近第二宇宙的跳跃式返回。与返回卫星和神舟飞船的第一宇宙速度相比，气动问题更加复杂，进入热环境条件更加恶劣，对气动数据的精度要求更加苛刻。”来自总体设计部的年轻设计师李齐说，“首先，高速再进入会增加复杂流量效应的影响，各种复杂流量效应将对返回气体的动力和热特性产生巨大影响；其次，由于跳跃再进入、燃烧腐蚀、燃料消耗等因素，二次再进入地球大气的外观适应性不确定性增加；另一点是，由于轻化的要求，探月三期返回器的尺寸远小于国内外任何一种半弹道式飞机。尺寸和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性的降低，对气动特性的预测精度提出了更高的要求。”此外，返回器的热环境比返回卫星和神舟飞船返回舱要糟糕得多。由于高温效应，必须考虑高温辐射加热的影响，这不需要考虑返回卫星和神舟飞船返回舱分析。”此外，这项任务的返回器热环境比返回卫星和神舟飞船返回舱差得多。由于高温效应，必须考虑高温辐射加热的影响，这在分析返回卫星和神舟飞船返回舱进入热环境时不需要考虑。各种测试接踵而至。为了解决这些问题，气动技术研究势在必行。

面对种种困难，整体设计部气动队并未退缩。自关键技术研究阶段以来，团队从国内外同类返回飞机的气动研究成果中学习了大量参考资料和技术文献，积极咨询医院内外系统专家。经过一轮又一轮的研究讨论和分析计算，设计团队准确把握了回流气动研究的难点和关键点，制定了全面详细的气动研究大纲。

为了突破半弹道跳跃式高速回归技术，气动设计、分析和验证必须满足外观、纹理和数据纹理和数据。为此，设计团队开展了有针对性的技术研究和试验验证，并与国内多家专业气动单位合作，开展了30多项研究工作，计算/试验状态超过2万个，逐步确定了回流器的气动形状、平质心盒、气动标称数据库及其偏差范围，为相关子系统的设计、模拟和试验提供了可靠的数据输入。

最后，整体设计部气动设计团队完成了轻小型半弹道跳深空高速回收器的气动外观设计和气动特性研究，提出了适用于轻小型跳高速回收器的气动外观设计方法和基于变化估计偏差的平整心盒设计方法，提出了适用于高速回收器的气动偏差计算方法，完成了适用于第二宇宙速度再入的高空跨流域气动特性计算方法研究，突破了多项关键技术，填补了多项国内空白，有效验证了探月三期返回飞行试验器的任务，为嫦娥五号任务的成功做出了巨大贡献。

巧妙设计“贴心防热衣”

探测器返回的另一个障碍是温度。

看过神舟飞船返回舱的人一定对黑暗的外表印象深刻。全身黑暗的原因是回到舱内从近地轨道返回地球时，被大气层剧烈摩擦引起的高温烧灼。“再入速度翻倍，再入热量增加8-9倍”。嫦娥五号探测器结构分系统总设计部主任董彦芝说。如此高的温度，一旦进入返回器内部，后果将难以想象。

如何防止热量？如何抵抗烧蚀已成为一个必要的克服困难。由于承载能力的限制，返回器的质量受到了严格的限制。在设计过程中，不仅需要新的低密度防热材料，还需要返回器结构本身的轻量化设计。

为此，整体设计部防热结构设计团队巧妙地为探测器设计了一个“贴心防热衣”。首先，针对月球轨道回归热环境、空间环境和重量的要求，提出了不同部位耐腐蚀和保温的具体要求和指标，从33种新研究材料中筛选出7种保温材料，完成了保温材料的布局和局部保温结构设计，实现了我国从近轨道到深空轨道的保温结构设计。其次，提出了三维传热腐蚀分析方法，采用整体厚度、密度、区域、偏轴设计方案，突破了轻设计关键技术，采用一维腐蚀分析和三维温度场分析，实现了全面的局部腐蚀试验，为试验任务的成功奠定了基础。

从防热结构设计、防热材料成型工艺研究、焊接工艺研究到工程样机、结构器、热控器、专用试验验证器、样品...嫦娥五号探测器防热“霓裳羽衣”精心“缝制”成为安全顺利返回地球家园的生命保障。

知冷知热自由飞

嫦娥娥五号探测器的众多关键技术中，有一项令人惊叹的技术，使返回器能够在遥远的旅程中成功抵抗数百度的宇宙环境和燃烧环境，这是整体设计部门热控设计师征服的异构环路热管热控技术。不要低估这个小环路热管，它可以调节返回器的热导“热开关”，是针对返回器再入大气前大热耗散热需求与再入过程中隔绝烧蚀高温需求两个相互矛盾的设计约束而专门设计的，有效解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调节和再入过程中热阻断的技术难题。

嫦娥五号探测器热控分系统总设计部主任宁献文表示，为了让返回器舒适飞行，热控人员可以根据加热要求设计不同厚度“金衣银饰”，通过寻找最冷最热点，优化热控策略，保证装置内温度稳定平均，一个个精心操作，设计与施工完美结合，最终确保返回器冷热自知，自由飞行。