嫦娥五號回家不輕鬆 背後經歷了這「三大難關」(組圖)

國情動向 20:18 2020/12/17

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嫦娥五號返回器順利在內蒙古著陸

嫦娥五號返回器今日(17日)凌晨在內蒙古順利著陸,在歷時23天的任務中,嫦娥五號進行了地月轉移、近月制動、環月飛行、月面起飛、月軌交會對接等一系列動作,並完成了中國航天史上首次地外天體採樣返回。聽似輕鬆,實際上它經歷了多重難關。

超高速進入大氣層

返回器從月球返程的速度接近每秒11.2公里,是早前神舟系列飛船返回地球的30多倍音速的高速,在這樣的超高速下,進入大氣層時將劇烈摩擦產生高溫,熱量急劇提升為航天器返回帶來巨大挑戰。因此,嫦娥五號安全順利返回地球要解決的是速度與溫度的問題。

在減速方面,中國航天科技集團五院總體設計部提出讓返回器採用半彈道跳躍式再入返回,就像在太空中「打水漂」,借助空氣摩擦產生的阻力實現減速。嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰解釋:「就像在太空中打水漂,返回器先是高速進入大氣層,再藉助大氣層提供的升力躍出大氣層,然後再以第一宇宙速度扎入大氣層,返回地面,整個過程環環相扣,將在15分鐘內完成」。

返回器在距地面高度約120公里處時,實施了初次氣動減速。下降至預定高度後,返回器向上躍出大氣層,到達最高點後開始滑行下降。之後,返回器再次進入大氣層,實施二次氣動減速。「此次嫦娥五號選擇是一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入,具有中國特色,『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,從而把速度降下來」。

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再入熱環境條件嚴酷

氣動技術研究工作的全面性和正確性,是返回器成功實施跳躍式高速,再入返回的關鍵。與返回衛星、神州飛船等採用的近地返回不同的是,嫦娥五號面臨的氣動問題更加複雜,再入熱環境條件更為嚴酷,對氣動數據的精準度要求更為苛刻。

總體設計部設計師李齊解釋:「首先,高速再入導致複雜流動效應影響增大,各種複雜流動效應將對返回器氣動力、熱特性產生巨大影響;其次,由於跳躍式再入,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不確定性增加;再有一點,由於輕小型化要求,探月三期返回器尺寸比國內外任何一種半彈道式再入飛行器都要小很多,尺寸的減小和質量的降低可能導致返回器飛行穩定性下降,對氣動特性預估準確度等方面也提出了更高的要求」。

總體設計部的氣動團隊經過多次研究討論及分析計算,最終完成了輕小型半彈道跳躍式深空高速再入返回器的氣動外形設計和氣動特性研究,突破多項關鍵技術。

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途中需穿「防熱衣」

高溫是返回途中的最後一個難關,返回器再入的速度提高1倍,再入熱量即提高8至9倍。由於要保證運載承載能力,返回器的質量受到了嚴格限制,不僅要求返回器結構本身採用輕量化設計,還需要採用新型低密度防熱材料。設計團隊針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求,提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標,從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料。

設計團隊又提出了三維傳熱燒蝕分析方法,採用整體變厚度、變密度,分區域、偏軸設計方案,突破了輕量化設計關鍵技術,並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,實現了用局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗,為任務成功奠定了基礎。

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,為嫦娥五號「縫製」了一件「防熱衣」,成為它安全順利返回家園的生命保證。

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責任編輯:陳建錫

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