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嫦娥五号月球“挖土”回家,这23天要闯过哪些难关?

12月17日1时59分,嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。这也是人类时隔44年再次从月球带回月壤,标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走收官之战取得了圆满胜利。
按计划,回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后,将空运至北京开舱,取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式,正式向地面应用系统移交月球样品,我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。

与其他几位嫦娥家族成员相比,嫦娥五号拿到的是一张地月旅行“往返票”。历经23天,嫦娥五号闯过地月转移、近月制动、环月飞行、月面着陆、自动采样、月面起飞、月轨交会对接、再入返回等难关。
此前,全世界只有美国、苏联的航天器,以及我国的嫦娥五号再入返回飞行试验器实现过绕月再入返回。嫦娥五号返回器是如何回家的?回家途中,再入返回又要闯过哪些难关?
在太空中“打水漂”
嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,但最后回到地球的只有装着月壤和月岩的返回器。
12月17日凌晨1时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向嫦娥五号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后,轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处正常解锁分离,轨道器按计划完成规避机动。
嫦娥五号返回器从月球飞回来的速度是接近每秒11.2公里的第二宇宙速度,高速进入大气层时将剧烈摩擦产生高温,热量急剧提升为航天器返回带来巨大挑战。因此,嫦娥五号安全顺利返回地球首先要解决的是减速问题。
借助空气摩擦产生的阻力可以实现减速目的。中国航天科技集团五院所属总体设计部的轨道设计师们提出了一个大胆的方案,让返回器采用半弹道跳跃式再入返回,就像在太空中“打水漂”。

嫦娥五号半弹道跳跃式再入返回模拟动图

嫦娥五号半弹道跳跃式再入返回模拟动图“返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面,整个过程环环相扣。”五院嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰介绍说。
凌晨1时33分,嫦娥五号返回器在距地面高度约120公里处,以接近第二宇宙速度高速进入地球大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器向上跃出大气层,到达最高点后开始滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。

嫦娥五号返回器再入大气模拟图

嫦娥五号返回器再入大气模拟图气动技术是“打水漂”的关键
实际上,气动技术研究工作的全面性和正确性也是返回器成功实施跳跃式高速再入返回的关键。
五院总体部设计师李齐介绍,相比近地轨道航天器返回,嫦娥五号面临的气动问题更加复杂,再入热环境条件更为严酷,对气动数据的精准度要求更为苛刻。
返回器高速再入导致复杂流动效应影响增大,各种复杂流动效应将对返回器气动力、热特性产生巨大影响。与此同时,由于跳跃式再入,烧蚀、燃料消耗等各种因素使得二次再入地球大气的外形适应不确定性增加。
此外,由于轻小型化要求,探月三期返回器尺寸比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小很多,尺寸的减小和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性下降,对气动特性预估准确度等方面也提出了更高的要求。
总体设计部的气动团队经过一轮轮研究讨论,一次次分析计算,最终完成了轻小型半弹道跳跃式深空高速再入返回器的气动外形设计和气动特性研究,突破多项关键技术,填补多项国内空白,并在探月三期再入返回飞行试验器任务中得到有效验证。
回家途中需要一件“防热衣”
在降至距地面约10公里高度时,嫦娥五号返回器打开降落伞完成最后减速并保持姿态稳定,随后在预定区域平稳着陆。负责搜索回收任务的测控与回收系统技术人员及时发现目标,有序开展回收工作。
高温是嫦娥五号返回途中的另一道难关。五院嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝介绍说,如果返回器再入的速度提高一倍,再入热量将提高8至9倍。

嫦娥五号探测器

嫦娥五号探测器防热成为必须攻克的难题,返回器回家途中需要一件“防热衣”。
由于要保证运载承载能力,嫦娥五号返回器的质量受到了严格限制,不仅要求返回器结构本身采用轻量化设计,还需要采用新型低密度防热材料。
为此,五院总体部防热结构设计团队针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标,从33种新研材料中筛选出了7种防热材料,完成了防热材料的布局和局部防热结构设计,实现了我国防热结构设计由近地轨道再入到深空轨道再入的跨越。

嫦娥五号返回器降落伞打开模拟图

嫦娥五号返回器降落伞打开模拟图同时,他们提出了三维传热烧蚀分析方法,采用整体变厚度、变密度,分区域、偏轴设计方案,突破了轻量化设计关键技术,并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法,实现了用局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验,为任务成功奠定了基础。
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、专项试验验证器,设计团队为嫦娥五号“缝制”了一件“防热衣”,成为它安全顺利返回家园的生命保证。
太空飞行期间,嫦娥五号还面临着温差高达数百度的宇宙环境。五院嫦娥五号探测器热控分系统主任设计师宁献文介绍,为了让嫦娥五号舒适地飞行,热控人员根据受热要求为它设计了薄厚不一的“金衣银饰”,通过寻找最冷最热点,优化热控策略,确保器内温度稳定而平均。

原创文章,作者:浩宇科技,如若转载,请注明出处:https://www.86376.net/gedi/22972.html

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