嫦娥五號歸來路上的攔路虎

12月17日1時59分，嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸，標志著中國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成。嫦娥五號任務實現了我國首次月面采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、攜帶樣品再入返回等多項重大突破，其成功實施標志著我國探月工程“繞、落、回”三步走規劃如期完成。

勤勤懇懇的“行李轉運員”

嫦娥五號的著陸器與上升器組合體成功采樣之后，攜帶月壤的上升器無法利用自身的動力返回地球，必須通過“太空物流”的形式，將貨物接力送達。而“太空物流”順暢與否，關鍵要看“交會對接”。國際空間站里，主要依靠對接機構來實現更大噸位的飛行器組裝。載人航天使用的對接機構學名叫異體同構周邊式對接機構，在對接后可形成一個通道，方便航天員在其中穿行。

與載人航天對接機構不同，嫦娥五號探測器采用抱爪式對接機構，由3套K形抱爪構成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接。嫦娥五號從月面取土歸來的途中，上升器和軌道器完成了首次月球軌道交會對接，珍貴的月球土壤樣品“包裹”得以轉移至返回器內。軌道器就像在月球軌道環繞的“郵差”，勤勤懇懇地完成“打包”“裝箱”后，迅速進入月地轉移軌道執行隔空投送，將月壤樣品捎回藍色星球。

防熱“霓裳羽衣”

嫦娥五號返回器“回家”途中的另一個攔路虎是溫度。高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫，熱量急劇提升也為航天器返回帶來巨大挑戰。高溫一旦進入返回器的內部，后果不堪設想。

如何防熱、怎么對抗燒蝕成為必須攻克的難關。為此，總體設計部防熱結構設計團隊為探測器巧妙設計了一件“貼心防熱衣”。首先，針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求，設計團隊提出不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出7種防熱材料，完成防熱材料的布局和局部防熱結構設計，實現了中國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計的跨越。其次，設計團隊提出了三維傳熱燒蝕分析方法，采用整體變厚度、變密度，分區域、偏軸設計方案，突破輕量化設計關鍵技術，并利用一維燒蝕分析和三維溫度場分析相結合的數值分析方法，實現了用全面的局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗，為試驗任務的成功奠定基礎。

從防熱結構設計、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究，到工程樣機、結構器、熱控器、專項試驗驗證器、正樣器……嫦娥五號探測器的防熱“霓裳羽衣”精心“縫制”而成，成為安全順利返回地球家園的生命保證。

“太空水漂”回歸地球

嫦娥五號返地球采用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。“就像在太空中打水漂，返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再減速扎入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣，在15分鐘內完成。”中國航天科技集團五院總體設計部嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰介紹說。

其實，相較于地球軌道，從月球到地球的返回最大的區別就是速度，嫦娥五號是攜帶月球樣品以每秒11.2公里的第二宇宙速度高速返回地球。“打水漂”就是為了讓返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中消耗足夠多的能量，從而把速度降到每秒7.9公里的第一宇宙速度。

中國的這個“太空水漂”，準確來說應該叫“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進入大氣層一定“深度”并滑行一定距離后，調整返回器姿態，使其再次升高。隨著返回器的升高，其速度會進一步降低，在降到第一宇宙速度以下時返回器開始下落，然后以類似神舟飛船的返回過程返回地球，后面的過程就輕車熟路了。

嫦娥五號返回地球為何要采用“打水漂”的形式？中國航天科技集團五院502所專家介紹稱，“打水漂”是為了借大氣層的“東風”，利用大氣的阻力和大氣與返回器的摩擦消耗返回器的動能。據悉，從第一次進入地球大氣層到落地，嫦娥五號返回器要在“風馳電掣”和“大起大伏”的狀態下飛行六七千公里。

當然，高科技加持的“太空水漂”與兒時在池塘邊玩的“打水漂”還是不同的，小時候玩的瓦片兒一旦甩出便不再可控，但嫦娥五號的“太空水漂”全過程都是可控的，只不過這種控制是由返回器自己來完成。在六七千公里的飛行過程中，在允許的偏差范圍內，嫦娥五號返回器可以“自由飛翔”。那么，返回器是如何實現過程中的“差之毫厘”而結果不會“謬以千里”？這就依靠502所為嫦娥五號配備的制導導航與控制（GNC）系統。

（綜合中新社，新華社訊）