我國(guó)探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功

2014年10月24日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征－3C改二型運(yùn)載火箭成功發(fā)射了我國(guó)探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器（又稱(chēng)嫦娥－5飛行試驗(yàn)器，簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)器）以及盧森堡－4M小衛(wèi)星，把試驗(yàn)器準(zhǔn)確送入近地點(diǎn)209km、遠(yuǎn)地點(diǎn)413000km的地月轉(zhuǎn)移軌道。該試驗(yàn)器的主要用途是突破和掌握探月航天器再入返回的關(guān)鍵技術(shù)，為嫦娥－5任務(wù)提供技術(shù)支持。盧森堡－4M小衛(wèi)星主要用于驗(yàn)證衛(wèi)星長(zhǎng)效電池工作情況。11月1日，試驗(yàn)器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，它標(biāo)志著我國(guó)探月工程三期首次再入返回飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功。這是我國(guó)航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，使我國(guó)成為繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后，成功回收探月航天器的第三個(gè)國(guó)家，表明我國(guó)已全面突破和掌握了航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)，為確保嫦娥－5任務(wù)順利實(shí)施和探月工程持續(xù)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鏈接：

為了不被地球引力拉回來(lái)，試驗(yàn)器飛往月球時(shí)必須以接近第二宇宙速度飛出去，返回時(shí)的速度和飛出去的速度基本一樣。所以，如果返回器在從月球返回地球時(shí)直接再入大氣層著陸很容易摔毀。因?yàn)樵偃胨俣忍欤髿鈱拥臍鈩?dòng)阻力不足以抵消這個(gè)高速返回的試驗(yàn)器。采用跳躍式返回方式，由于增加了返回器在大氣層的“一出一入”，所以可延長(zhǎng)試驗(yàn)器在大氣層飛行的軌跡，消耗掉返回器的部分能量，并能減小著陸速度，以便選擇降落區(qū)域。蘇聯(lián)和美國(guó)探月時(shí)也曾利用過(guò)類(lèi)似原理著陸，但其航程沒(méi)有我國(guó)的長(zhǎng)，而著陸場(chǎng)比我國(guó)的大。由于我國(guó)的人口密度大，適合充當(dāng)降落區(qū)的地點(diǎn)有限，這對(duì)返回器的降落精度也提出了更高的要求。

1 任務(wù)背景

2013年12月，嫦娥－3任務(wù)圓滿完成后，我國(guó)探月工程全面進(jìn)入“繞、落、回”三步走發(fā)展規(guī)劃的第三期，計(jì)劃于2017年前后執(zhí)行嫦娥－5任務(wù)，實(shí)現(xiàn)月球無(wú)人自動(dòng)采樣返回。為了突破和掌握月球探測(cè)器再入返回地球的關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)決定先期實(shí)施再入返回飛行試驗(yàn)，即發(fā)射試驗(yàn)器飛抵月球附近后自動(dòng)返回，在到達(dá)地球大氣層邊緣時(shí)（距地面約120km），以接近第二宇宙速度和半彈道跳躍式再入，最終在內(nèi)蒙古中部地區(qū)以傘降形式著陸。跳躍式再入是指航天器進(jìn)入大氣層后，依靠升力再次沖出大氣層，以便降低速度，然后再次進(jìn)入大氣層。本次試驗(yàn)任務(wù)以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)為主要目的，首次采用了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，用于對(duì)未來(lái)嫦娥－5返回的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

與“神舟”飛船返回艙以大約7.9km/s的第一宇宙速度返回不同，未來(lái)嫦娥－5的返回器將以接近11.2km/s的第二宇宙速度返回。考慮到我國(guó)內(nèi)陸著陸場(chǎng)等各方因素，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航程、低過(guò)載的返回，嫦娥－5的返回器將采用半彈道跳躍式再入返回地球。通過(guò)這種特殊的返回軌道可以降能減速，因?yàn)椴捎冒霃椀朗皆偃敕祷赜欣诳刂疲孤潼c(diǎn)精確；而通過(guò)跳躍式彈起然后再入，可以拉長(zhǎng)試驗(yàn)器再入距離，達(dá)到減速的目的，確保返回器返回順利。但它對(duì)控制精度提出了極高要求，如果返回器“跳”得過(guò)高，飛行器會(huì)偏離落區(qū)；如果返回器“跳”不起來(lái)，則可能會(huì)直接墜入大氣被燒毀。由于距地面60～90km的高層大氣變化無(wú)窮，受到晝夜、太陽(yáng)風(fēng)、地磁場(chǎng)等多種因素影響，大氣變化誤差很大，所以需要返回器的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)具備很大的包容性。

如果采用彈道式再入返回，返回器的再入角較大，從而導(dǎo)致高過(guò)載和高熱流，這不僅會(huì)對(duì)返回器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防熱層提出更高的要求，而且超出了人類(lèi)的過(guò)載承受能力，無(wú)法用于將來(lái)實(shí)現(xiàn)載人登月后的返回。采用跳躍式再入不但能將過(guò)載減小，防止高熱流，而且還可以改變?cè)偃胲壽E，延長(zhǎng)再入路徑。對(duì)于以接近第二宇宙速度進(jìn)入地球大氣層的航天器來(lái)說(shuō)這種方法最為合適，可以減少發(fā)熱和著陸點(diǎn)誤差等。此外，如果主著陸場(chǎng)遭遇天氣突變，需要臨時(shí)調(diào)整著陸場(chǎng)，也能通過(guò)這種再入方式調(diào)整再入路徑，讓返回器落到備用著陸場(chǎng)。

試驗(yàn)器在軌飛行示意圖

返回器采用半彈道跳躍式再入返回示意圖

不過(guò)，即便采用半彈道跳躍式飛行的特殊降落軌跡，返回器的“回家之路”仍有很多未知因素。以第二宇宙速度返回地球是未來(lái)嫦娥－5月面采樣、月面上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接、再入返回四大關(guān)鍵技術(shù)中最難的一項(xiàng)。因?yàn)槠渌?xiàng)可通過(guò)在地面上做模擬試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證可靠性，而高速再入返回的過(guò)程無(wú)法通過(guò)地面模擬得到充分驗(yàn)證。比如，在地面難以模擬11.2km/s左右的飛行速度，模擬高層大氣的真空度和化學(xué)反應(yīng)也十分不易。從距地面約120km高進(jìn)入大氣層時(shí)，這個(gè)高度的大氣非常稀薄，不是連續(xù)的氣流，而是分子氣層，所以會(huì)產(chǎn)生一系列特殊的氣體效應(yīng)。此外，在大氣層中超高速飛行會(huì)對(duì)返回器產(chǎn)生燒蝕，其程度也比以往要高得多。目前，我國(guó)從單純的地面實(shí)驗(yàn)積累的對(duì)地球大氣特性的認(rèn)識(shí)還不充分，對(duì)返回器高速返回條件下的氣動(dòng)、熱防護(hù)、高速返回的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)物理模型和數(shù)學(xué)模型掌握的也不完全，所以風(fēng)險(xiǎn)很大。

再有，我國(guó)現(xiàn)有的載人飛船和返回式衛(wèi)星的著陸模式都無(wú)法滿足需求。由于返回器返回地球時(shí)的速度會(huì)越來(lái)越快，不但進(jìn)入大氣層時(shí)的姿態(tài)需要精確調(diào)整，而且對(duì)再入角控制的精度要求也非常高。

因此，針對(duì)探月三期月面自動(dòng)采樣返回任務(wù)中返回再入速度高、航程長(zhǎng)、峰值熱流密度高、總加熱時(shí)間長(zhǎng)和總加熱量大等特點(diǎn)，為了確保嫦娥－5任務(wù)的成功，這次我國(guó)先通過(guò)試驗(yàn)器進(jìn)行真實(shí)飛行，開(kāi)展返回再入飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證跳躍式返回再入這一關(guān)鍵技術(shù)，獲取月球探測(cè)高速再入返回地球的相關(guān)軌道設(shè)計(jì)、氣動(dòng)、熱防護(hù)，以及制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，從而對(duì)此前的研究、分析、設(shè)計(jì)和制造等工作進(jìn)行檢驗(yàn)，為嫦娥－5執(zhí)行無(wú)人月球取樣返回積累經(jīng)驗(yàn)，為探月三期正式任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

本次任務(wù)技術(shù)新、難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，需要攻克氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、防熱，以及半彈道式制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱是返回器的關(guān)鍵問(wèn)題之一，因?yàn)檠芯勘砻鳎偃氲乃俣忍岣?倍，再入熱量就將提高8～9倍，以第二宇宙速度再入大氣層時(shí)摩擦?xí)a(chǎn)生巨大的熱能，所以必須做好返回器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 器艙組合

此次試驗(yàn)任務(wù)由試驗(yàn)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控與回收四大系統(tǒng)組成。其中試驗(yàn)器由中國(guó)空間技術(shù)研究院研制，它包括結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、熱控、數(shù)據(jù)管理、供配電、測(cè)控?cái)?shù)傳、天線、工程參數(shù)測(cè)量、服務(wù)艙推進(jìn)、回收，以及制導(dǎo)導(dǎo)航與控制11個(gè)分系統(tǒng)。

試驗(yàn)器由服務(wù)艙和返回器兩部分組成，總質(zhì)量為2t多，返回器安裝在服務(wù)艙上部。其服務(wù)艙以嫦娥－2繞月探測(cè)器平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，具備留軌開(kāi)展科研試驗(yàn)功能；返回器為新研制產(chǎn)品，采用鐘罩側(cè)壁加球冠大底構(gòu)型，質(zhì)量約330kg，具備返回著陸功能，與探月三期正式任務(wù)中返回器的狀態(tài)基本一致。

試驗(yàn)器有六方面的創(chuàng)新，即軌道設(shè)計(jì)和控制、新型的熱控技術(shù)、氣動(dòng)、高精度的返回制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，以及設(shè)備的輕小型化和回收技術(shù)。

在質(zhì)量、體積大幅減少的情況下，試驗(yàn)器性能不降反升，這是由于它廣泛使用了大量高智能化、高集成度、小型化產(chǎn)品。比如，新開(kāi)發(fā)的小型星敏感器是一款“會(huì)思考、能自主決策”的高智能產(chǎn)品。依托嵌入在產(chǎn)品中小型智腦，該星敏感器能把提取的星圖與智腦中存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析，從而在蒼茫的宇宙中找準(zhǔn)自己的位置、坐標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)器在太空的自由馳騁進(jìn)行姿態(tài)控制。除了“智商”高之外，該星敏感器的“情商”也不低。它能自如地應(yīng)對(duì)太陽(yáng)光、星體反射光等惡劣空間環(huán)境的挑戰(zhàn)，快速做出一系列應(yīng)急響應(yīng)，在精度控制上更是達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

試驗(yàn)器進(jìn)行熱真空試驗(yàn)

在8天的“地月之旅”中，絕大部分時(shí)間服務(wù)艙載著返回艙前進(jìn)。只有最后的約40min，返回器再入返回地球。所以，服務(wù)艙一路上不僅要“開(kāi)車(chē)”，還負(fù)責(zé)給返回器供電、供暖、數(shù)據(jù)傳輸和通信保障等。艙器分離就是剪斷連接艙器之間的一捆電線，4個(gè)爆炸螺栓炸開(kāi)，服務(wù)艙要用力把返回器推到再入返回走廊，而自己也要避讓。

服務(wù)艙裝有5臺(tái)相機(jī)，用于對(duì)試驗(yàn)器的地月之旅進(jìn)行拍照。相機(jī)采用了新材料以實(shí)現(xiàn)輕小型化，質(zhì)量最大的有4.1kg，最小的只有200g。它們有的是技術(shù)試驗(yàn)相機(jī)，有的是魚(yú)眼鏡頭相機(jī)。這些相機(jī)也可拍視頻，為便于傳輸，一段連續(xù)視頻不超過(guò)30s。其上的第二代CMOS相機(jī)是把輕量化做到極致的一款產(chǎn)品，每臺(tái)相機(jī)只有巴掌大小，質(zhì)量不及一個(gè)蘋(píng)果重，卻集光、機(jī)、電、熱等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一身，具有長(zhǎng)壽命、高可靠、自動(dòng)拍攝、實(shí)時(shí)圖像壓縮，能應(yīng)付惡劣太空輻射、溫度環(huán)境，能承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)等高強(qiáng)本領(lǐng)。

服務(wù)艙進(jìn)行太陽(yáng)電池翼展開(kāi)試驗(yàn)

試驗(yàn)器的返回器雖然比“神舟”飛船的返回艙小許多，但是它“麻雀雖小五臟俱全”，其法蘭和焊縫的數(shù)量一點(diǎn)不比飛船返回艙少，因而難度要高出好幾個(gè)量級(jí)。一般情況下，每顆衛(wèi)星只進(jìn)行一次整星熱試驗(yàn)，而此次返回器的熱試驗(yàn)總數(shù)量不下10余次。

返回器在返回大氣層時(shí)受到氣動(dòng)作用，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的力和力矩。為了使返回器自身的氣動(dòng)特性具有穩(wěn)定性，氣動(dòng)專(zhuān)家做了很復(fù)雜的計(jì)算，進(jìn)行了大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，最后根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇了鐘鼎形作為返回器的外形設(shè)計(jì)。

返回器的造型比較獨(dú)特，是一個(gè)底面直徑和高度都只有1.25m的錐形體，其小小的“身軀”在熱試驗(yàn)中的加熱分區(qū)有多達(dá)32個(gè)。由于它分區(qū)多，接口多，而且構(gòu)型不規(guī)則，所以給紅外加熱籠的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)很大難度。加熱籠與艙體之間的安全距離需精確把握，如果離得太遠(yuǎn)，加熱籠帶條加電后輻射溫度難以滿足高溫要求，達(dá)不到預(yù)期試驗(yàn)效果；如果離得太近，艙體部分位置可能超出溫度承受上限，容易造成表面損傷。為此，采取了三維設(shè)計(jì)與熱分析仿真相結(jié)合的方式，用5片紅外加熱籠拼合包裹大底、5片紅外加熱籠拼合覆蓋側(cè)壁的方案，從而順利完成了返回器紅外加熱籠的量身定做，確保了熱試驗(yàn)有效進(jìn)行。

返回器上首次應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)環(huán)路熱管。目前，世界上擁有同類(lèi)核心技術(shù)的只有美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)。在返回器外部還包覆一層特殊材料，它可以把摩擦產(chǎn)生的熱量隔絕掉，不讓它灌入艙內(nèi)。

由于返回器降落時(shí)的速度非常快，不可能依靠地面遙控來(lái)指揮。為此，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了半彈道跳躍式飛行的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)技術(shù)，讓返回器能自主控制，這是再入飛行的關(guān)鍵。返回器在降落過(guò)程中的微小變動(dòng)都可能帶來(lái)影響，例如，在第一次進(jìn)入大氣層時(shí)，返回器表面會(huì)因?yàn)楦邷責(zé)g使其外形和質(zhì)量發(fā)生改變，因此在第二次進(jìn)入大氣層時(shí)，返回器就必須考慮到這些因素進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的任務(wù)是把返回器準(zhǔn)確帶回著陸場(chǎng)。制導(dǎo)是根據(jù)當(dāng)前飛行情況找到一條路徑；導(dǎo)航是準(zhǔn)確知道位置；控制就是讓返回器怎么走到這條路徑上來(lái)。在返回器“回家”的整個(gè)控制過(guò)程中，最大的困難就是大氣環(huán)境的不確定性。高空大氣密度變化范圍有±80%，低空大氣密度變化范圍是20%～40%。進(jìn)入大氣層后，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)要實(shí)時(shí)對(duì)氣動(dòng)參數(shù)、大氣密度進(jìn)行辨識(shí)、仿真、計(jì)算。這些必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)經(jīng)受了極大考驗(yàn)。

返回器的防熱設(shè)計(jì)也是這次試驗(yàn)的重要科目。為了應(yīng)對(duì)與大氣層超高速摩擦帶來(lái)的高溫問(wèn)題，專(zhuān)家們已開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)熱防護(hù)技術(shù)。此外，返回器的特殊需求也為熱防護(hù)技術(shù)帶來(lái)了難題。例如，在太空時(shí)，返回器內(nèi)部的電子設(shè)備工作會(huì)產(chǎn)生大量廢熱，需要被及時(shí)排出；而再入大氣層時(shí)正好相反，返回器外壁與空氣摩擦產(chǎn)生的上千度高溫需要隔絕。這些難題均已通過(guò)新型防熱材料和結(jié)構(gòu)克服了。

在此次任務(wù)實(shí)施中，月地返回、半彈道跳躍式高速再入返回、返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、返回器防熱設(shè)計(jì)，以及驗(yàn)證半彈道跳躍式再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制和輕小型化回收著陸技術(shù)等六大技術(shù)難點(diǎn)是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵。這次飛行任務(wù)驗(yàn)證了探月三期的六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

吊運(yùn)返回器

一是驗(yàn)證了返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)。利用飛行試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，修正了返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

二是驗(yàn)證了返回器防熱技術(shù)。通過(guò)飛行過(guò)程中防熱結(jié)構(gòu)溫度變化歷程，對(duì)防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估，提高了熱分析的準(zhǔn)確性，測(cè)量了返回器熱蝕情況。

三是驗(yàn)證了返回器半彈道跳躍式高速再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)技術(shù)。

四是驗(yàn)證了月地返回及再入返回地面測(cè)控支持能力。針對(duì)返回器高動(dòng)態(tài)、散布范圍大、跟蹤捕獲難等特點(diǎn)，綜合開(kāi)展了總體設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)。

五是驗(yàn)證了返回器可靠著陸技術(shù)。利用返回器內(nèi)側(cè)、外側(cè)、遙測(cè)和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)返回器可靠著陸技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

六是驗(yàn)證了返回器可靠回收技術(shù)。通過(guò)返回器搜索回收，驗(yàn)證了空地協(xié)同搜索回收工作方法，同時(shí)具備了地面獨(dú)立搜索能力。

3 飛行過(guò)程

試驗(yàn)器采用繞月自由返回軌道，在經(jīng)過(guò)了發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、月球近旁轉(zhuǎn)向段、月地轉(zhuǎn)移段、返回再入段和回收著陸段6個(gè)階段，飛行大約8.4×105km，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8天4h30min的飛行過(guò)程后，在內(nèi)蒙古四子王旗著陸。在任務(wù)實(shí)施期間，我國(guó)遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船隊(duì)、國(guó)內(nèi)外陸基測(cè)控站，以及北京飛行控制中心和西安衛(wèi)星測(cè)控中心，共同組成了航天測(cè)控通信網(wǎng)，為任務(wù)提供了持續(xù)跟蹤、測(cè)量與控制。這次任務(wù)的完成實(shí)現(xiàn)了四大技術(shù)突破：高速的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱技術(shù)；高熱量、大熱流的熱防護(hù)技術(shù)；高精度、高動(dòng)態(tài)的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)；長(zhǎng)距離、大范圍的再入回收測(cè)控技術(shù)。

發(fā)射段

發(fā)射段是指從運(yùn)載火箭起飛開(kāi)始到器箭分離為止的飛行階段。2014年10月24日02：00，試驗(yàn)器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，通過(guò)運(yùn)載火箭直接送入繞月自由返回軌道入口點(diǎn)，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

試驗(yàn)器飛行的6個(gè)階段示意圖

地月轉(zhuǎn)移段

地月轉(zhuǎn)移段是指從器箭分離開(kāi)始到試驗(yàn)器到達(dá)距月球約6×104km的影響球邊界為止的飛行階段。

10月24日16：18～16：29，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，對(duì)距地球約1.3×105km的試驗(yàn)器成功實(shí)施了地月轉(zhuǎn)移軌道的首次中途修正。這是因?yàn)樵陲w行過(guò)程中，試驗(yàn)器會(huì)受到入軌偏差、萬(wàn)有引力、宇宙環(huán)境等因素影響，所以需要實(shí)施中途修正、校正航向。通過(guò)認(rèn)真分析和精確計(jì)算，北京航天飛行控制中心研究確定了再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)的首次中途修正控制策略，并成功向試驗(yàn)器注入控制參數(shù)，順利實(shí)施了首次中途修正，為試驗(yàn)器順利到達(dá)月球近旁奠定了基礎(chǔ)。在這次中途修正前，北京航天飛行控制中心控制試驗(yàn)器攜帶的相機(jī)，拍攝了試驗(yàn)器遠(yuǎn)離地球的飛行場(chǎng)景。

10月25日16：18～16：29，對(duì)試驗(yàn)器實(shí)施了第2次中途修正。經(jīng)過(guò)2次中途修正后，已經(jīng)把火箭入軌偏差的影響消除了，達(dá)到了要求的軌道精度，所以取消了原定的第3、第4次中途修正。

10月27日11：30，試驗(yàn)器飛抵距月球6.0×104km附近，進(jìn)入月球引力影響球，結(jié)束地月轉(zhuǎn)移軌道段的飛行，開(kāi)始月球近旁轉(zhuǎn)向段的飛行。

月球近旁轉(zhuǎn)向段

月球近旁轉(zhuǎn)向段是指從試驗(yàn)器進(jìn)入月球影響球開(kāi)始到試驗(yàn)器飛出月球影響球?yàn)橹沟娘w行階段。試驗(yàn)器在該段借助月球引力改變自身相對(duì)地球的軌道傾角，環(huán)繞月球進(jìn)行轉(zhuǎn)向飛行。

10月28日03：00，試驗(yàn)器到達(dá)距月面約1.2×104km的近月點(diǎn)。隨后，在北京航天飛行控制中心控制下，試驗(yàn)器系統(tǒng)啟動(dòng)多臺(tái)相機(jī)對(duì)月球、地球進(jìn)行多次拍攝，獲取了清晰的地球、月球和地月合影圖像。

拍攝地月合影絕非想象的那么簡(jiǎn)單。地球和月球之間本身相隔3.8×105km。此外，地球和月球二者之間大小也相差懸殊。要想拍出好的地月合影，要充分考慮到2個(gè)夾角和相應(yīng)的匹配關(guān)系，一是太陽(yáng)、地球和試驗(yàn)器的夾角以及太陽(yáng)、月球和試驗(yàn)器的夾角；二是相機(jī)的視場(chǎng)角與太陽(yáng)、地球也要有相應(yīng)的匹配關(guān)系。

為了找到最美拍攝角，拍出地球、月球比例“般配”的“全身照”，試驗(yàn)器要先飛到月球，再往遠(yuǎn)離地球、月球的方向飛出去約1.0×104km，然后要避開(kāi)太陽(yáng)光直射，最后選好一個(gè)合適角度，才能按下快門(mén)。為了能拍出這組大片，專(zhuān)家們可是下了不少功夫，對(duì)歷史上地月合影的相關(guān)資料進(jìn)行搜索整理，并根據(jù)此次任務(wù)試驗(yàn)器的飛行路線，反復(fù)計(jì)算，優(yōu)中選優(yōu)，從而選定了最佳拍照角度和拍照時(shí)間。

試驗(yàn)器拍攝的月地合影

拍攝地月合影的相機(jī)有3臺(tái)：1臺(tái)只有2個(gè)火柴盒大小的微型CMOS相機(jī)、1臺(tái)巴掌大小的CMOS相機(jī)，以及1臺(tái)足球般大小的雙分辨率相機(jī)。這3臺(tái)相機(jī)總質(zhì)量不及1臺(tái)“長(zhǎng)槍”單反相機(jī)重，但都是集光、機(jī)、電、熱等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一身，具有長(zhǎng)壽命、高可靠、自動(dòng)拍攝、實(shí)時(shí)圖像壓縮，能應(yīng)付惡劣太空輻射、溫度環(huán)境，能承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)等高強(qiáng)本領(lǐng)。特別是雙分辨率相機(jī)，它可在同一時(shí)刻、同一位置拍出兩張不同分辨率的照片，即按下一次快門(mén)的同時(shí)得到一張全景照、一張?zhí)貙?xiě)照。

為了確保試驗(yàn)器不錯(cuò)過(guò)“最美”景色，專(zhuān)家們準(zhǔn)備了兩套拍攝方案。第一套方案是在測(cè)算地月光亮程度的基礎(chǔ)上，取二者所需曝光度的中間值進(jìn)行拍攝；另外一套方案則是用相機(jī)分別對(duì)地球和月球進(jìn)行成像，再進(jìn)行后期組合，最終得到一張清晰的地月合影。雙管齊下，可確保“最美”地月合影完美呈現(xiàn)。

10月28日19：40，試驗(yàn)器完成月球近旁轉(zhuǎn)向飛行，離開(kāi)月球引力影響球，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，飛向地球。

月地轉(zhuǎn)移段

月地轉(zhuǎn)移段是指試驗(yàn)器從飛出月球影響球開(kāi)始到艙器分離（艙器分離點(diǎn)距地面約5000km）的飛行階段。試驗(yàn)器在該段根據(jù)需要完成中途修正，同時(shí)完成返回器與服務(wù)艙分離的準(zhǔn)備工作。

10月30日，在原定第5次中途修正的位置進(jìn)行了第3次中途軌道修正。

返回再入段

返回再入段是指返回器從距地面約5000km分離后到返回器彈射開(kāi)傘的飛行階段。

返回器在軌飛行示意圖

11月1日05：00，北京航天飛行控制中心通過(guò)地面測(cè)控站向試驗(yàn)器注入導(dǎo)航參數(shù)。05：53，服務(wù)艙與返回器在距地面高約5000km處正常分離。在分離過(guò)程中，服務(wù)艙照明燈開(kāi)啟，服務(wù)艙的監(jiān)視相機(jī)A、B對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行拍照監(jiān)視。艙器分離后，服務(wù)艙上的490N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。返回器在該階段首先滑行飛行，06：13，以再入姿態(tài)和接近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。下降至預(yù)定高度后，返回器向上躍起，“跳”出大氣層，到達(dá)跳出最高點(diǎn)后開(kāi)始逐漸下降。接著，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10km高度時(shí)，返回器降落傘順利開(kāi)傘，在預(yù)定區(qū)域順利著陸。擔(dān)負(fù)搜索回收任務(wù)的搜索分隊(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，迅速到達(dá)返回器著陸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施回收。其具體過(guò)程如下：

1）滑行段。艙器分離約3min后，為確保返回器安全，服務(wù)艙按照地面科技人員預(yù)設(shè)程序開(kāi)始調(diào)姿，約8min后開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了規(guī)避飛行。這是因?yàn)榕撈鞣蛛x時(shí)的速度達(dá)10.8km/s，接近第二宇宙速度，而且服務(wù)艙在返回器之前，如果不實(shí)施規(guī)避機(jī)動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生碰撞，對(duì)返回器造成巨大威脅。接著，返回器進(jìn)入了自由飛行狀態(tài)，它飛過(guò)南大西洋，從印度洋上空沿著預(yù)定軌道向著祖國(guó)大陸飛來(lái)。

2）初次再入段。06：11，返回艙建立返回再入姿態(tài)。06：13，在距離地面約120km高處，返回器進(jìn)入初次再入段飛行，返回器自主完成制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。

3）自由飛行段。06：17，返回器“跳”出大氣，以慣性姿態(tài)自由飛行。

試驗(yàn)器返回再入段和回收著陸段示意圖

4）二次再入段。06：23，返回器再次進(jìn)入大氣，自主完成制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，實(shí)施再次氣動(dòng)減速。06：27，返回器第二次飛出黑障區(qū)，建立開(kāi)傘姿態(tài)。06：31，在距地面10km處，升力控制結(jié)束，壓力高度控制器接通開(kāi)傘信號(hào)，彈開(kāi)了傘艙蓋。

與嫦娥－1、2、3發(fā)射后就瞄準(zhǔn)月球軌道不同，對(duì)試驗(yàn)器的測(cè)控從一開(kāi)始就瞄準(zhǔn)了11月1日再入返回地球這一核心任務(wù)。為控制軌道精度，北京航天飛行控制中心對(duì)星敏感器、返回器慣性測(cè)量單元進(jìn)行了若干次標(biāo)定。

這是我國(guó)航天器首次采取半彈道跳躍式返回,試驗(yàn)器返回著陸區(qū)時(shí)對(duì)飛行測(cè)控的要求非常高。由于受運(yùn)載能力和航程所限，所以對(duì)返回器再入點(diǎn)參數(shù)精度要求非常高。如果把地球比作一個(gè)籃球，返回器再入角就相當(dāng)于一張薄紙，返回器必須穿過(guò)薄紙這樣的縫隙，才能安全返回地球。由于返回再入走廊非常窄，再入角只能有±0.2°的誤差。如果再入角過(guò)小，試驗(yàn)器就不能返回地球；如果再入角過(guò)大，不能實(shí)現(xiàn)第一次的彈出，會(huì)越過(guò)既定的防護(hù)設(shè)計(jì)，所以大于或小于這個(gè)角度，都不能正常返回，這就要求對(duì)軌道的控制能力必須很高才行。

采用半彈道跳躍式再入返回，彈道誤差一般比一次性返回的誤差大，返回時(shí)一方面需要高精度的控制返回器準(zhǔn)確進(jìn)入返回走廊，另一方面要實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)返回彈道，引導(dǎo)地面站及時(shí)有效地捕獲返回器。

返回器兩次高速進(jìn)入大氣層都會(huì)產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象。高速摩擦?xí)狗祷仄鞅砻鏆饣a(chǎn)生等離子鞘，屏蔽返回器與地面的聯(lián)系。雖然在“黑障”過(guò)程中天地通信會(huì)中斷，但返回器不會(huì)失控，因?yàn)橐恍┲匾噶钤谶M(jìn)入“黑障”之前就已經(jīng)注入返回器，返回器可以按照預(yù)設(shè)內(nèi)容來(lái)執(zhí)行指令。

回收著陸段

回收著陸段是指返回器從彈射開(kāi)傘開(kāi)始到著陸并成功回收為止的飛行階段。

06：42，返回器安全著陸。科研人員將對(duì)回收后的返回器及此次再入返回飛行試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，為優(yōu)化完善嫦娥－5任務(wù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，服務(wù)艙將繼續(xù)在太空飛行，并開(kāi)展一系列拓展試驗(yàn)。

4 其他亮點(diǎn)

運(yùn)載火箭

這次發(fā)射試驗(yàn)器的長(zhǎng)征－3C改二型火箭采用了“天基測(cè)量”技術(shù)，即通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星向地面技術(shù)人員傳輸火箭飛行過(guò)程的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，這種新技術(shù)相當(dāng)于給火箭配備了“實(shí)時(shí)問(wèn)診器”，可對(duì)飛行中的火箭進(jìn)行全程實(shí)時(shí)測(cè)控。此發(fā)火箭還首次采用了最新的高碼率傳輸技術(shù)，它如同“寬帶傳輸”，可增加測(cè)量點(diǎn)、提高數(shù)據(jù)傳輸速度、增大數(shù)據(jù)傳輸量（由2Mbit/s提升到5Mbit/s），進(jìn)一步降低測(cè)控盲區(qū)；它與“實(shí)時(shí)問(wèn)診器”一起，可保證地面技術(shù)人員即時(shí)掌握火箭的飛行動(dòng)態(tài)。此次發(fā)射對(duì)運(yùn)載火箭有兩大考驗(yàn)：一是入軌精度要求高，火箭要將試驗(yàn)器準(zhǔn)確送到繞月自由返回軌道“入口”；二是在試驗(yàn)器與末級(jí)火箭分離后，末級(jí)火箭也會(huì)跟著試驗(yàn)器進(jìn)入繞月自由返回軌道，并再入返回地球，末級(jí)火箭再入速度快、落點(diǎn)散布大，會(huì)給末級(jí)殘骸的落點(diǎn)預(yù)報(bào)和安全防護(hù)帶來(lái)極大困難。為此，返回首次利用火箭剩余能量實(shí)現(xiàn)了末級(jí)軌道修正，在確保試驗(yàn)器安全的基礎(chǔ)上，將火箭末級(jí)由繞月自由返回軌道機(jī)動(dòng)到一條繞地飛行的大橢圓軌道上，解決了末級(jí)再入地球可能帶來(lái)的安全問(wèn)題，同時(shí)也達(dá)到了火箭末級(jí)鈍化的目的。

長(zhǎng)征-3C改二型火箭發(fā)射試驗(yàn)器

長(zhǎng)征－3C改二型是長(zhǎng)征－3C增強(qiáng)型火箭的首次亮相出征。與長(zhǎng)征－3C基本型相比，它還有一些改進(jìn)、創(chuàng)新。例如，首次在長(zhǎng)征－3C火箭上使用雙激光慣組＋衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)合制導(dǎo)的技術(shù)。事實(shí)表明，在雙激光慣組的基礎(chǔ)上，增加衛(wèi)星導(dǎo)航修正裝置，能夠保證試驗(yàn)器入軌精度的萬(wàn)無(wú)一失。從外形上看，它的第一級(jí)芯級(jí)火箭增高了1.5m，2個(gè)助推器加長(zhǎng)了0.8m，運(yùn)載能力由原來(lái)的3.8t提高到3.9t。同時(shí)，火箭第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了我國(guó)可靠性最高的長(zhǎng)征－2F運(yùn)載火箭第二級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，為此次試驗(yàn)任務(wù)提供了更為強(qiáng)勁的運(yùn)載能力和更高的飛行可靠性。

測(cè)控回收

這次任務(wù)對(duì)飛行控制最根本的要求是確保試驗(yàn)器安全再入返回，得到完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；最大的挑戰(zhàn)之一是完成對(duì)試驗(yàn)器的精確控制；最核心的難題之一是試驗(yàn)器半彈道跳躍式再入返回軌道的控制與應(yīng)急處置。為確保這次飛行試驗(yàn)飛控任務(wù)的順利完成，北京航天飛行控制中心應(yīng)用三站聯(lián)合接力跟蹤測(cè)量，新建的深空干涉測(cè)量中心也首次實(shí)時(shí)參加任務(wù)，從而滿足了再入返回時(shí)高精度軌道的要求；先后完成了76套各類(lèi)方案、預(yù)案的研制工作；突破和掌握了高精度的繞月自由返回軌道定軌及預(yù)報(bào)、高精度的軌道控制、跳躍式返回過(guò)程預(yù)報(bào)與引導(dǎo)，以及高密度測(cè)控協(xié)同與動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)整等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。北京航天飛行控制中心有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了“任務(wù)計(jì)劃智能編輯系統(tǒng)”和“雙目標(biāo)計(jì)劃自動(dòng)拼接軟件”，有效解決了指令計(jì)劃編輯困難、易出錯(cuò)和多目標(biāo)指令編排交叉重疊的問(wèn)題。有了這兩個(gè)智能“小幫手”的幫助，為試驗(yàn)器安排工作就變得既安全可靠，又高效快捷。

這次探月任務(wù)大大小小的故障預(yù)案多達(dá)144個(gè)。為此，北京航天飛行控制中心有一個(gè)叫做“故障快速診斷系統(tǒng)”的軟件，用于試驗(yàn)器快速“體檢”。這套“體檢”系統(tǒng)包含遙測(cè)快速處理、信息快速監(jiān)控和故障快速診斷3個(gè)軟件，快速、高效是它們的最大特點(diǎn)。相比以往任務(wù)，這次任務(wù)“體檢”進(jìn)入了快時(shí)代。

在這次任務(wù)中，北京航天飛行控制中心順利實(shí)現(xiàn)了4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，航天測(cè)控能力有了新的提高。

試驗(yàn)器采用“8”字形的繞月自由返回軌道

一是高精度的繞月自由返回軌道定軌及預(yù)報(bào)技術(shù)。由于采用了全新的繞月自由返回軌道，所以對(duì)定軌和預(yù)報(bào)精度的要求很高，而且這次任務(wù)軌道控制次數(shù)多、姿態(tài)機(jī)動(dòng)頻繁，影響軌道測(cè)量精度的因素復(fù)雜。北京航天飛行控制中心模擬了各類(lèi)誤差進(jìn)行仿真打靶分析，設(shè)計(jì)制定了適用于各個(gè)階段的數(shù)據(jù)使用原則和定軌策略；研究制定了利用圣地亞哥、瑪斯帕拉瑪斯和納米比亞三站接力跟蹤、聯(lián)合測(cè)軌的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了定軌和預(yù)報(bào)的高精度要求。

二是高精度的軌道控制技術(shù)。在這次任務(wù)中，3次中途修正控制均瞄準(zhǔn)再入點(diǎn)，其控制策略、軌控模式、約束條件等，均較以往任務(wù)變化較大。對(duì)此，北京航天飛行控制中心研究設(shè)計(jì)了以瞄準(zhǔn)再入點(diǎn)參數(shù)為目標(biāo)的全新中途修正算法，制定了通過(guò)組合修正實(shí)現(xiàn)航程調(diào)整、入軌異常等情況下的應(yīng)急控制策略，設(shè)計(jì)了抬高服務(wù)艙軌道近地點(diǎn)等規(guī)避方案，解決了基于繞月自由返回軌道的策略規(guī)劃和應(yīng)急控制這一難題。

三是跳躍式再入返回過(guò)程預(yù)報(bào)與引導(dǎo)技術(shù)。由于實(shí)施半彈道跳躍式再入返回，所以返回器上的制導(dǎo)控制方法復(fù)雜，氣動(dòng)影響預(yù)測(cè)難度大，產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的因素很多。為此，北京航天飛行控制中心結(jié)合返回器制導(dǎo)原理，利用返回器氣動(dòng)參數(shù)制定了落點(diǎn)預(yù)報(bào)與引導(dǎo)實(shí)施方案；并與試驗(yàn)器研制單位密切協(xié)作，開(kāi)發(fā)了彈道預(yù)報(bào)的計(jì)算方法和軟件，確保了返回預(yù)報(bào)和引導(dǎo)的順利實(shí)施。

四是高密度測(cè)控協(xié)同與動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)整技術(shù)。由于這次任務(wù)發(fā)令密集、控制頻繁、環(huán)環(huán)相扣，所以需實(shí)現(xiàn)快速靈活的飛控任務(wù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃，以確保兩器之間、天地之間的高度協(xié)同控制。北京航天飛行控制中心通過(guò)對(duì)各次關(guān)鍵控制的飛控計(jì)劃、測(cè)控資源及實(shí)施流程進(jìn)行了統(tǒng)籌和優(yōu)化，對(duì)各類(lèi)關(guān)鍵指令設(shè)計(jì)了預(yù)備計(jì)劃發(fā)送和人工判發(fā)的備保措施，并利用自動(dòng)追趕發(fā)令、雙目標(biāo)修正發(fā)令、多源遙測(cè)比判等手段，實(shí)現(xiàn)了飛控快速應(yīng)變和動(dòng)態(tài)規(guī)劃能力。

在此次飛行試驗(yàn)中，由于返回器目標(biāo)小、再入速度快、落點(diǎn)散布范圍廣，所以給著陸場(chǎng)搜索回收帶來(lái)了很多新的考驗(yàn)，特別是此次試驗(yàn)無(wú)氣象備份著陸場(chǎng)。試驗(yàn)器發(fā)射升空后，回收時(shí)間隨即確定。即使回收任務(wù)當(dāng)天著陸場(chǎng)區(qū)氣象條件不滿足直升機(jī)起飛條件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“空地聯(lián)合搜索”，也要由地面分隊(duì)獨(dú)立完成搜索回收任務(wù)。

為了確保返回器搜索回收任務(wù)圓滿完成，從今年8月開(kāi)始，著陸場(chǎng)區(qū)前置雷達(dá)站、地面測(cè)控站、氣象臺(tái)人員就陸續(xù)進(jìn)場(chǎng)展開(kāi)工作，先后4次組織綜合搜索回收演練，熟練掌握了返回器回收處置的各種技能。在試驗(yàn)器再入返回時(shí)，著陸場(chǎng)區(qū)的跟蹤測(cè)量、搜索回收、通信保障、氣象保障等系統(tǒng)裝備工作正常。

5 多個(gè)第一

這次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天的多個(gè)“首次”。首次讓航天器從月球回到地球；首次成功采用半彈道跳躍式再入返回技術(shù)；首次突破了第二宇宙速度再入情況下的一些防熱技術(shù)；首次驗(yàn)證了在大范圍內(nèi)的小目標(biāo)搜索能力，因?yàn)榉祷仄鞯捏w積只有“神舟”飛船返回艙的1/8；首次采用了“8”字形的繞月自由返回軌道，這種特殊設(shè)計(jì)巧妙地利用了地球和月球引力，使試驗(yàn)器飛抵月球附近后能繞半圈自動(dòng)改變軌道方向、軌道傾角向地球飛來(lái)，從而節(jié)省了中途軌道修正所需的推進(jìn)劑，借助月球引力完成轉(zhuǎn)彎并返回地球；首次應(yīng)用了深空探測(cè)可視化系統(tǒng)，等等。

首次再入返回飛行試驗(yàn)的圓滿成功，為全面完成探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)月球及深空探測(cè)乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。