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大气层|嫦娥五号返程首创太空“打水漂”

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■本报采访人员 刘锟
今天凌晨 ， 携带着月球样本的嫦娥五号返回器成功降落在内蒙古四子王旗预定地点 ， 标志着我国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功 。
回顾历次探月任务 ， 中国“嫦娥”均取得圆满成功 ， 但是各自归宿因为任务要求或飞向遥远深空或永远“栖身”月球 。 与几位“姐姐”有去无回相比 ， 嫦娥五号是个幸运儿——因为执行自动采样返回任务而拿到了一张弥足珍贵的“回程票” 。 但返回之旅并非一路坦途 ， 其中 ， 极具中国特色的“半弹道跳跃式再入返回”立下了头功 。
15分钟冲入跃出再扎进大气层
截至目前 ， 世界上只有美国、苏联的航天器以及我国嫦娥5T开展过绕月再入返回试验 。 资料显示 ， 国外的再入航天器共有三类：弹道式再入航天器、弹道-升力式再入航天器和升力式再入航天器 。 我国的探月工程则采用了一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入返回 。
半弹道跳跃式再入返回究竟有何特点 ， 嫦娥五号为何选择这一方式？
嫦娥五号返回器从月球飞回来的速度是每秒11.2公里的第二宇宙速度 ， 而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒7.9公里的第一宇宙速度 ， 可别小看了这每秒3公里的差距 。 这就好比扔石头 ， 同样一块石头 ， 从一层楼扔下来的速度和从十几层楼扔下来速度肯定不一样 。 同理 ， 航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回速度必然不同 ， 且差距巨大 。
要想让嫦娥五号返回器安全顺利返回地球 ， 首要解决的就是速度这只“拦路虎” 。
在反复研究美苏经验基础上 ， 根据我国航天器实际情况 ， 中国航天科技集团的设计师们决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障 ， 通过空气摩擦产生的阻力实现减速目的 ， 并提出了一个大胆的方案——半弹道跳跃式再入返回 。 中国航天科技集团专家解读说 ， 这就像在太空中“打水漂” ， 返回器先是高速进入大气层 ， 再借助大气层提供的升力跃出大气层 ， 然后再以第一宇宙速度扎入大气层 ， 返回地面 ， 整个过程环环相扣 ， 要在15分钟内完成 。
防热材料从33种新研材料中筛选
嫦娥五号返回器“回家路”中还有一只“拦路虎” ， 那就是温度 。
见过神舟飞船返回舱的人一定对那身乌黑的外表印象深刻 。 之所以全身乌黑 ， 是返回舱从近地轨道返回地球时 ， 被大气层剧烈摩擦产生的高温烧灼而成的 。 专家表示 ， 再入的速度提高一倍 ， 再入热量将提高8到9倍 。 如此高的温度 ， 一旦进入返回器的内部 ， 后果不堪设想 。
为了对抗高速进入大气层时摩擦产生的剧烈高温威胁 ， 嫦娥五号设计团队为探测器巧妙设计了一件“贴心防热衣” 。
首先 ， 针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求 ， 提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标 ， 从33种新研材料中筛选出了7种防热材料 ， 完成了防热材料的布局和局部防热结构设计 ， 实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越 。
其次 ， 提出了三维传热烧蚀分析方法 ， 采用整体变厚度、变密度 ， 分区域、偏轴设计方案 ， 突破了轻量化设计关键技术 ， 并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法 ， 实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验 ， 为任务成功奠定了基础 。
从防热结构设计、防热材料成型工艺研究、焊接工艺研究 ， 到工程样机、结构器、热控器、专项试验验证器、正样器……嫦娥五号返回器的“防热衣”可谓精心“缝制”而成 ， 最终成为返回器安全顺利返回地球的生命保障 。
【大气层|嫦娥五号返程首创太空“打水漂”】作者：刘锟

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