嫦娥五号”打水漂”回家有多难?要解决两只”拦路虎”

12月17日,带着月球“特产”——月壤样品的嫦娥五号返回器稳稳着陆在内蒙古四子王旗,我国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功。这是人类探月历史60年来由中国人书写的又一壮举,标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走收官之战取得全胜。

此前,中国已经成功发射了嫦娥一号、二号、三号和四号等月球探测器,各自归宿因为任务要求或飞向遥远深空或“永远栖身”月球,不再回到地球母亲的怀抱。与几位“姐姐”远嫁相比,嫦娥五号则拿到了地球和月球旅行的“往返票”,但回家之路并不是一片坦途,许多挑战和风险需要克服,尤其是如何“打败”两只“拦路虎”决定了任务的成败。

嫦娥五号返回器高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温,热量急剧提升也为航天器返回带来巨大挑战。本文图片来源:航天科技集团五院、新华社、央视截图

嫦娥五号“打水漂”回地球

此前,中国发射了20余颗返回式卫星,回收了11艘神舟系列飞船和新一代载人飞船。相较于地球轨道,如神舟飞船约第一宇宙速度(注:每秒7.9公里)的返回,从月球到地球的返回最大的区别就是速度,嫦娥五号是携带月壤以接近第二宇宙速度(注:每秒11.2公里),即约30多倍音速的高速返回地球。

可别小看了这每秒3公里的差距。因为,就好像扔石头,同样一块石头,从一层楼扔下来的速度和从十几层楼仍下来速度是不一样的。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差距更大。此外,高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温,热量急剧提升也为航天器返回带来巨大挑战。要想让返回器安全顺利返回地球首要解决的两大重要难题就是速度和温度,这两只“拦路虎”是决定整个任务成败的关键因素。

首先要解决的是速度问题。究竟如何才能成功减速?这是一个世界级的难题。在反复学习、研究美苏经验的基础上,根据我国航天器实际情况,五院总体设计部的轨道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。“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,将在15分钟内完成。”来自总体设计部的嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰介绍说。

截至目前,世界上只有美国、苏联的航天器以及我国嫦五T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。“此次嫦娥五号选择是一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入,具有中国特色,‘打水漂’就是为了让返回器在大气层中的飞行和再次升高的过程中消耗足够多的能量,从而把速度降下来。”五院专家解释道。

嫦娥五号选择是一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入,具有中国特色。

气动设计中的创新智慧

作为返回器热防护、GNC以及回收等分系统设计与仿真的重要输入,气动技术研究工作的全面性和正确性也是返回器能否成功实施跳跃式高速再入返回的关键。那么嫦娥五号探测器的气动技术与以往航天器相比又有何特点?

此次任务采用近第二宇宙速度跳跃式再入返回,与返回卫星、神舟飞船等采用的第一宇宙速度近地返回相比,气动问题更加复杂,再入热环境条件更为严酷,对气动数据的精准度要求更为苛刻。

总体设计部的青年设计师李齐介绍说,“首先,高速再入导致复杂流动效应影响增大,各种复杂流动效应将对返回器气动力、热特性产生巨大影响;其次,由于跳跃式再入,烧蚀、燃料消耗等各种因素使得二次再入地球大气的外形适应不确定性增加;再有一点,由于轻小型化要求,探月三期返回器尺寸比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小很多,尺寸的减小和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性下降,对气动特性预估准确度等方面也提出了更高的要求。”

此外,此次任务的返回器热环境比返回式卫星和神舟飞船返回舱要恶劣很多,由于高温效应,必须要考虑高温辐射加热影响,而这是返回式卫星和神舟飞船返回舱分析再入热环境时不需要考虑的。种种考验接踵而至,要解决这些问题,气动技术攻关势在必行。

要想突破半弹道跳跃式高速再入返回技术,气动设计、分析与验证必须解决外形、质心和数据三大需求。为此,设计团队开展了有针对性的技术攻关与试验验证,并携手多个国内专业气动单位,开展了三十余项研究工作,计算/试验状态超过20000 个,逐步确定了返回器气动外形、配平质心盒、气动标称数据库及其偏差范围,为相关分系统设计、仿真和试验提供了可靠的数据输入。

最终,总体设计部气动设计团队完成了轻小型半弹道跳跃式深空高速再入返回器的气动外形设计和气动特性研究,提出了适用于轻小型跳跃式高速再入返回器的气动外形设计方法和基于时变估计偏差的配平质心盒设计方法,提出了适用于高速再入返回器的气动力偏差计算方法,完成了适用于第二宇宙速度再入的高空跨流域气动特性计算方法研究等,突破了多项关键技术,填补了多项国内空白,并在探月三期再入返回飞行试验器任务中得到了有效验证,为嫦娥五号任务成功奠定了基础。

减速伞完成任务后,主伞会打开,进一步降低着陆速度。

巧妙设计“贴心防热衣”

探测器返回途中的另一个拦路虎就是温度。

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,是因为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。“再入的速度提高一倍,再入热量将提高8-9倍”。总体设计部嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝指出。如此高的温度,一旦进入返回器的内部,后果将不堪设想。

如何防热?怎么对抗烧蚀成为必须攻克的难关。而且,因运载承载能力的约束对返回器的质量提出了严格限制,在设计过程中不仅需要新型低密度防热材料,而且还需要返回器结构本身采用轻量化的设计。

返回器成功着陆。

为此,总体设计部防热结构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,为试验任务的成功奠定了基础。

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。。。。。。嫦娥五号探测器的防热“霓裳羽衣”精心“缝制”而成,成为安全顺利返回地球家园的保证。

多项技术的运用,让返回器成功返回地球。

知冷知热自在飞

在嫦娥五号探测器众多关键技术中有一项令人拍案赞叹的技术,让返回器在遥远的旅程中成功抵抗温差高达几百度的宇宙环境和烧蚀环境,这就是总体设计部热控设计师们攻克的异构式环路热管热控技术。

可别小看这套小小的环路热管,它可是返回器可调节热导的“热开关”,是针对返回器再入大气前大热耗散热需求与再入过程中隔绝烧蚀高温需求两个相互矛盾的设计约束而专门设计的,有效解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调节和再入过程中热阻断的技术难题。

总体设计部嫦娥五号探测器热控分系统主任设计师宁献文介绍说,为了让返回器舒服的飞行,热控人员可下足了功夫:根据受热要求设计了薄厚不一的“金衣银饰”,通过寻找最冷最热点,优化热控策略,确保器内温度稳定、平均,一道道精雕细琢的操作,一个个设计与施工的完美结合,最终确保了返回器冷热自知,自由飞行。

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