“挖土”歸來(lái) 嫦娥五號(hào)闖過(guò)了幾道關(guān)

龐丹 付毅飛

“嫦娥五姑娘”回來(lái)了！

12月17日凌晨，它帶著中國(guó)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的月球樣本，穩(wěn)穩(wěn)降落在內(nèi)蒙古四子王旗，宣告了我國(guó)首次月面自動(dòng)采樣返回任務(wù)取得圓滿成功。

不過(guò)，榮耀歸來(lái)的道路并非坦途。你可知道嫦娥五號(hào)回家邁過(guò)了幾道坎？

它的“娘家”——中國(guó)航天科技集團(tuán)五院向筆者進(jìn)行了介紹。

怎樣在大氣層表面“打水漂”

與幾位“姐姐”相比，嫦娥五號(hào)拿到的是一張地月旅行“往返票”。

這張票彌足珍貴。此前，全世界只有美國(guó)、蘇聯(lián)的航天器，以及我國(guó)的嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器實(shí)現(xiàn)過(guò)繞月再入返回。

資料顯示，國(guó)外再入航天器共有3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。

而中國(guó)探月工程則采用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。

近地軌道航天器再入返回大氣層時(shí)，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號(hào)從月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來(lái)，速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。

每秒3公里多的速度差，帶來(lái)的力道大不相同。假如嫦娥五號(hào)沖勁過(guò)猛，一頭撞向地球，整個(gè)任務(wù)都將前功盡棄。

要避免這種風(fēng)險(xiǎn)，首先要解決速度的問(wèn)題。

這是一個(gè)世界級(jí)難題。科研人員在反復(fù)學(xué)習(xí)和研究美、蘇經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)航天器實(shí)際情況，決定借助地球大氣層這個(gè)航天器再入返回的天然屏障。

他們提出了一個(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一樣，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(guò)程環(huán)環(huán)相扣。”五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師孟占峰介紹說(shuō)。

2014年，我國(guó)發(fā)射探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器，模擬了嫦娥五號(hào)奔月、繞月、返回的全過(guò)程，并對(duì)跳躍式再入返回技術(shù)進(jìn)行了成功驗(yàn)證，使我國(guó)成為繼美、蘇之后，世界第三個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國(guó)家。

返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)比神舟飛船更復(fù)雜

嫦娥五號(hào)能否成功打出一個(gè)漂亮的“水漂”，關(guān)鍵在于氣動(dòng)技術(shù)研究工作的全面性和正確性。

五院總體部設(shè)計(jì)師李齊介紹，相比近地軌道航天器返回，嫦娥五號(hào)面臨的氣動(dòng)問(wèn)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。

首先，高速再入會(huì)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。

第三，由于輕小型化要求，嫦娥五號(hào)返回器尺寸比國(guó)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、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)確度等方面提出了更高要求。

此外，相比返回式衛(wèi)星和神舟飛船返回艙，本次任務(wù)中返回器面臨的熱環(huán)境要惡劣得多。由于高溫效應(yīng)，必須要考慮高溫輻射加熱影響，而這是近地軌道航天器分析再入熱環(huán)境時(shí)不需要考慮的。

面對(duì)重重考驗(yàn)，五院總體部氣動(dòng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，從國(guó)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，終于準(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。氣動(dòng)團(tuán)隊(duì)攜手多個(gè)國(guó)內(nèi)專業(yè)氣動(dòng)單位，開(kāi)展了30余項(xiàng)研究工作，計(jì)算/試驗(yàn)狀態(tài)超過(guò)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(kù)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，他們完成了相關(guān)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、基于時(shí)變估計(jì)偏差的配平質(zhì)心盒設(shè)計(jì)方法，以及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;同時(shí)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)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。

又要隔熱又要散熱，怎么解？

高溫是嫦娥五號(hào)返回途中的另一道難關(guān)。

如果你見(jiàn)過(guò)神舟飛船返回艙，一定會(huì)對(duì)它那烏黑的外表印象深刻，這是被大氣層劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)贫傻摹?/p>

而嫦娥五號(hào)遇到的溫度將會(huì)更高。五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師董彥芝介紹說(shuō)，如果返回器再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍。

如此高溫一旦進(jìn)入返回器內(nèi)部，后果將不堪設(shè)想。防熱成為必須攻克的難題。

由于要保證運(yùn)載承載能力，嫦娥五號(hào)返回器的質(zhì)量受到了嚴(yán)格限制。不僅要求返回器結(jié)構(gòu)本身采用輕量化設(shè)計(jì)，還需要采用新型低密度防熱材料。

為此，五院總體部防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(guó)防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由近地軌道再入到深空軌道再入的跨越。

同時(shí)他們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(chǎng)分析相結(jié)合的數(shù)值分析方法，實(shí)現(xiàn)了用局部燒蝕試驗(yàn)代替整器燒蝕試驗(yàn)，為任務(wù)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……設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為嫦娥五號(hào)精心“縫制”了一件“貼心防熱衣”，成為它安全順利返回家園的生命保證。

在返回大氣層對(duì)抗燒蝕環(huán)境之前，嫦娥五號(hào)在飛行過(guò)程中還有大熱耗散熱需求。隔熱與散熱，聽(tīng)起來(lái)幾乎是不可調(diào)和的矛盾。

然而五院總體部熱控設(shè)計(jì)師們攻克了異構(gòu)式環(huán)路熱管熱控技術(shù)，相當(dāng)于給返回器增加了可調(diào)節(jié)熱導(dǎo)的“熱開(kāi)關(guān)”，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(guò)程中熱阻斷的難題。

太空飛行期間，嫦娥五號(hào)還面臨著溫差高達(dá)數(shù)百度的宇宙環(huán)境。五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師寧獻(xiàn)文介紹，為了讓嫦娥五號(hào)舒適地飛行，熱控人員根據(jù)受熱要求為它設(shè)計(jì)了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過(guò)尋找最冷最熱點(diǎn)，優(yōu)化熱控策略，確保器內(nèi)溫度穩(wěn)定而平均。