“挖土”歸來 嫦娥五號闖過了幾道關
龐 丹 本報記者 付毅飛
“嫦娥五姑娘”回來了！
12月17日凌晨，它帶著中國科學家夢寐以求的月球樣本，穩穩降落在內蒙古四子王旗，宣告了我國首次月面自動采樣返回任務取得圓滿成功。
不過，榮耀歸來的道路并非坦途。你可知道嫦娥五號回家邁過了幾道坎？
它的“娘家”——中國航天科技集團五院向科技日報記者進行了介紹。
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、蘇聯的航天器，以及我國的嫦娥五號再入返回飛行試驗器實現過繞月再入返回。
資料顯示，國外再入航天器共有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，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風馳電掣般向地球飛來，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，帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號沖勁過猛，一頭撞向地球，整個任務都將前功盡棄。
要避免這種風險，首先要解決速度的問題。
這是一個世界級難題?？蒲腥藛T在反復學習和研究美、蘇經驗的基礎上，結合我國航天器實際情況，決定借助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障。
他們提出了一個大膽的方案——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，整個過程環環相扣。”五院嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰介紹說。
2014年，我國發射探月三期再入返回飛行試驗器，模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程，并對跳躍式再入返回技術進行了成功驗證，使我國成為繼美、蘇之后，世界第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。
返回氣動設計比神舟飛船更復雜
嫦娥五號能否成功打出一個漂亮的“水漂”，關鍵在于氣動技術研究工作的全面性和正確性。
五院總體部設計師李齊介紹，相比近地軌道航天器返回，嫦娥五號面臨的氣動問題更加復雜，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。
首先，高速再入會導致復雜流動效應影響增大，各種復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不確定性增加。
第三，由于輕小型化要求，嫦娥五號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、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提出了更高要求。
此外，相比返回式衛星和神舟飛船返回艙，本次任務中返回器面臨的熱環境要惡劣得多。由于高溫效應，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境時不需要考慮的。
面對重重考驗，五院總體部氣動團隊開展關鍵技術攻關，從國內外同類返回飛行器的氣動研究成果中汲取經驗，同時積極向院內外系統專家請教，終于準確把握了返回器氣動研究工作難點和關鍵點，制定了全面詳細的氣動研究大綱。
要想突破半彈道跳躍式高速再入返回技術，氣動設計、分析與驗證必須解決外形、質心和數據三大需求。氣動團隊攜手多個國內專業氣動單位，開展了30余項研究工作，計算/試驗狀態超過20000個，逐步確定了返回器氣動外形、配平質心盒、氣動標稱數據庫及其偏差范圍，為相關分系統設計、仿真和試驗提供了可靠的數據輸入。
最終，他們完成了相關研究，提出了適用于輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動外形設計方法、基于時變估計偏差的配平質心盒設計方法，以及適用于高速再入返回器的氣動力偏差計算方法，完成了適用于第二宇宙速度再入的高空跨流域氣動特性計算方法研究等；同時突破了多項關鍵技術，填補了多項國內空白，并在探月三期再入返回飛行試驗器任務中得到了有效驗證，為嫦娥五號任務圓滿成功立下了汗馬功勞。
又要隔熱又要散熱，怎么解？
高溫是嫦娥五號返回途中的另一道難關。
如果你見過神舟飛船返回艙，一定會對它那烏黑的外表印象深刻，這是被大氣層劇烈摩擦產生的高溫燒灼而成的。
而嫦娥五號遇到的溫度將會更高。五院嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝介紹說，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。
如此高溫一旦進入返回器內部，后果將不堪設想。防熱成為必須攻克的難題。
由于要保證運載承載能力，嫦娥五號返回器的質量受到了嚴格限制。不僅要求返回器結構本身采用輕量化設計，還需要采用新型低密度防熱材料。
為此，五院總體部防熱結構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，完成了防熱材料的布局和局部防熱結構設計，實現了我國防熱結構設計由近地軌道再入到深空軌道再入的跨越。
同時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，分區域、偏軸設計方案，突破了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……設計團隊為嫦娥五號精心“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。
在返回大氣層對抗燒蝕環境之前，嫦娥五號在飛行過程中還有大熱耗散熱需求。隔熱與散熱，聽起來幾乎是不可調和的矛盾。
然而五院總體部熱控設計師們攻克了異構式環路熱管熱控技術，相當于給返回器增加了可調節熱導的“熱開關”，有效解決了返回器再入大氣前的大熱耗散熱、熱導調節和再入過程中熱阻斷的難題。
太空飛行期間，嫦娥五號還面臨著溫差高達數百度的宇宙環境。五院嫦娥五號探測器熱控分系統主任設計師寧獻文介紹，為了讓嫦娥五號舒適地飛行，熱控人員根據受熱要求為它設計了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過尋找最冷最熱點，優化熱控策略，確保器內溫度穩定而平均。