嫦娥五號回收系統創新揭秘

文／李 禾

在第十三屆中國國際航空航天博覽會（珠海航展）上，中國航天局展出了月壤儲存罐，這是嫦娥五號返回器帶回月球樣本的儲存罐。嫦娥五號返回器任務的成功，離不開回收系統的貢獻。近日，發表在期刊《空間科學與技術》上的一篇論文介紹了嫦娥五號返回器回收系統的技術要求和限制，回收系統的設計過程，地面傘艙蓋彈射試驗、空投試驗和飛行試驗等設計結構的驗證試驗。結果表明，嫦娥五號返回器運行良好的回收系統能夠實現中國首個月球采樣任務。

2020年12月17日，在降落傘的作用下，攜帶月壤樣本的嫦娥五號返回器安全著陸。與返回式衛星、載人航天器或其他近地軌道航天器回收系統的返回和再入過程相比，嫦娥五號返回器具有更多的特殊之處。比如返回器以約11千米/秒的速度進入地球大氣層（接近第二宇宙速度），其再入速度遠超我國返回式衛星或神舟載人飛船等其他可返回航天器；返回器體積小、重量輕，對質量特性配置的精度要求極高；回收系統的總質量和體積非常有限。因此，嫦娥五號的新型回收系統需滿足質量輕、可靠性高、環境適應性高等要求。

但基于運行環境、可靠性和安全性考慮，回收系統的設計面臨諸多要求和限制。比如著陸總重為310公斤且有降落傘輔助的情況下，返回器在海拔1千米的著陸區域垂直降落速度不超過13米/秒；開傘高度不小于10千米的海拔高度；能夠在1.8-3.8千帕動壓范圍內正常開傘；回收系統的可靠性應大于0.99(置信度為0.8)。

此外，基于重量、空間、動力源及其他考量，回收系統的設計還有開傘過載不超過7克；回收系統總質量不超過26公斤；降落傘總包裝體積不超過23升；回收系統總功耗不超過15瓦等限制。

該論文介紹，基于效能的要求，嫦娥五號返回器回收系統需要實現氣動減速、回收程序控制、指令狀態反饋、動作指令的瞬時執行（如傘艙蓋彈射、降落傘拉直）。回收系統由降落傘、結構機構組件、回收控制和火工裝置四個子系統組成。

綜合考慮降落傘下降速度、開傘條件、開傘力、降落傘與航天器的組合系統運動穩定性、降落傘裝置的安裝布局、質量和體積的約束等因素，回收系統采用兩級減速方案——依次使用減速傘和主降落傘實現減速。

回收控制的設計主要包括返回器多通道指令接收、降落傘打開控制、降落傘系統啟動后的工作順序控制、火工裝置點火控制和回收系統的狀態反饋。

從嫦娥五號返回器的總體設計可見，回收系統采用側向彈蓋開傘方法，并利用傘艙蓋的彈射和分離，直接拉出減速傘包，從而實現減速傘的拉直。與神舟系列航天器相比，盡管開傘方法類似，但嫦娥五號的彈射方案減少了用于拉開減速傘的裝置，從而簡化了回收系統的組成，降低了降落傘系統的質量和體積。而且嫦娥五號回收系統的導引傘和主降落傘均采用單點吊掛設計，吊掛點位于降落傘艙的頂部。減速傘和主降落傘通過集成的連接分離機制依次連接到返回器。釋放機構采用拔銷器設計，只要有一個釋放裝置拉回連接銷，減速傘吊帶上的套筒就可釋放約束，實現分離。

該論文指出，通過進行地面彈射試驗和火箭撬滑軌彈射試驗，傘艙蓋彈射及減速傘展開得到驗證。地面彈射試驗證實了傘艙蓋彈射拉出降落傘的正確設計。該試驗還設置了傘艙蓋的負壓條件，借此模擬返回器尾流影響，火箭橇彈射和減速傘展開試驗則驗證了動態條件下的設計正確性。

而空投試驗是回收系統開發過程中最關鍵的驗證項目。由回收系統空投試驗中打開的降落傘可見，在真實工作環境中，減速傘和主降落傘能實現完全充氣，并保證結構完整?？胀对囼灲Y果表明，回收系統的設計及工作程序正確，質量穩定可靠，系統性能滿足返回器總體要求。

嫦娥五號任務是中國探月工程“繞、落、回”三步走發展戰略的最后一步，是中國第一次開展月球自主采樣返回任務，也是迄今為止中國最復雜、最具難度的太空探索任務之一。回收系統對嫦娥五號的關鍵在于其決定載有月球樣本的返回器能否安全著陸。嫦娥五號回收系統解決了輕小型航天器半彈道跳躍式返回和再入過程的諸多問題，比如不確定因素多、技術風險高、結構布局約束嚴重，產品集成度、輕量化、可靠性要求高等；同時，突破了輕型小型化降落傘、綜合回收控制技術等關鍵技術。嫦娥五號回收系統達到并超過了飛行任務要求，確保了中國首次月球自主采樣返回任務的圓滿成功。