巧擒兩大“攔路虎” 嫦娥五號月球採樣榮耀歸來

12月17日，“採擷月壤”的嫦娥五號榮耀歸來，穩穩著陸在內蒙古四子王旗，中國首次月面自動採樣返回任務取得圓滿成功。

要想讓嫦娥五號安全順利返回地球，速度和溫度是要解決的兩大難題，這兩隻“攔路虎”是決定成敗的關鍵因素。記者採訪航天專家，揭秘嫦娥五號如何巧擒這兩大“攔路虎”。

擒速度“攔路虎”：太空中“打水漂”

與嫦娥一號、二號、三號、四號4位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”無疑是個幸運兒，因為執行自動採樣返回任務而拿到了一張珍貴的地月旅行“往返票”。

說這張“往返票”彌足珍貴一點都不為過。截至目前，世界上隻有美國、前蘇聯的航天器以及中國探月三期再入返回飛行試驗器開展過繞月再入返回試驗。資料顯示，國外的再入航天器共有三類：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。而中國探月工程則採用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。

為什麼要選擇這一具有“中國特色”的再入返回方案？其中有何講究和門道？嫦娥五號返回器從月球飛回來的速度是每秒11.2公裡的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器大多為每秒7.9公裡的第一宇宙速度，可別小看這每秒3.3公裡的差距。航天專家打了一個比方，就好像扔石頭，同樣一塊石頭，從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓扔下來速度肯定不一樣。同理，航天器從數百公裡高的近地軌道返回和從38萬公裡遠的月球返回速度必然不同，且差距巨大。

首先要解決的是速度問題。如何才能成功減速？這是一個世界級的難題。在反復學習、研究美蘇經驗的基礎上，根據中國航天器實際情況，中國航天科技集團五院總體設計部的軌道設計師們決定借助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障，通過空氣摩擦產生的阻力實現減速目的，並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，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，將在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佔峰介紹說。

伏溫度“攔路虎”：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。

見過神舟飛船返回艙的人，一定對那身烏黑的外表印象深刻。之所以全身烏黑，這是因為返回艙從近地軌道返回地球時，被大氣層劇烈摩擦產生的高溫燒灼而成。“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8-9倍。”中國航天科技集團五院總體設計部嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝介紹說。如此高的溫度，一旦進入返回器的內部，后果將不堪設想。

如何防熱、怎麼對抗燒蝕成為必需攻克的難關。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，採用整體變厚度、變密度，分區域、偏軸設計方案，突破輕量化設計關鍵技術，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、專項試驗驗証器、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証。(郭超凱 龐丹)