北京時間12月17日1時59分，「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。
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」。截至目前，世界上只有美國、蘇聯的太空飛行器以及中國探月三期再入返回飛行試驗器成功開展了繞月再入返回試驗。
來自國家航天局的消息稱，作為我國複雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，嫦娥五號任務成功實現了多方面技術創新、突破了一系列關鍵技術，從太空以「打水漂」的形式帶樣返回地球，就是其中一個重大突破。
嫦娥五號返回器如何回家， 「太空水漂」又是如何完成的？記者就此採訪了嫦娥五號任務相關專家。
（嫦娥五號以接近第二宇宙速度返回地球示意圖，中國航天科技集團五院供圖）
在太空「打個水漂」再回來
很多人都試過「打水漂」，找一片薄薄的石頭或者瓦片，放低身姿，將石頭或者瓦片斜貼著水面擲出，有意思的一幕便會出現：石頭或者瓦片扎入水裡後又會快速躍出，回到空中，再扎入水裡，又回到空中……如此重複多次。
這次，嫦娥五號返回器就是在太空中打了「水漂」之後回來的。
這個「太空水漂」，航天術語叫「半彈道跳躍式返回」，即在返回器第一次進入大氣層一定「深度」並滑行一定距離後，調整返回器姿態，使其再次升高，隨著返回器的升高，其速度會進一步降底，在降到第一宇宙速度以下時返回器便不再滿足成為一顆地球衛星的基本條件，再次開始下落，然後以類似神舟飛船的返回過程返回地球，後面的「回家」方式就輕車熟路了。
「為什麼要採用這種『打水漂』的形式回家呢？」 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告訴記者，嫦娥五號返回器從月球歸來的速度是高達每秒11.2公裡的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的太空飛行器速度大多為每秒7.9公裡的第一宇宙速度，可別小看了這每秒3公裡多的差距，太空飛行器如果以過高的速度進入大氣層，摩擦產生的劇烈高溫將帶來極大風險，因此必須解決「減速」問題。
中國航天的軌道設計師們，決定藉助地球大氣層這個太空飛行器再入返回的天然屏障，讓返回器在太空中瀟灑地打個「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，在15分鐘內完成。」孟佔峰說。
嫦娥五號能否成功打出一個漂亮的「水漂」，關鍵在於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在接受科技日報的採訪時介紹，相比近地軌道太空飛行器返回，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。
首先，高速再入會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。
第三，由於輕小型化要求，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。由於高溫效應，必須要考慮高溫輻射加熱影響，而這是近地軌道太空飛行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，終於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餘項研究工作，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、氣動標稱資料庫及其偏差範圍，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，提出了適用於輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動外形設計方法、基於時變估計偏差的配平質心盒設計方法，以及適用於高速再入返回器的氣動力偏差計算方法，完成了適用於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，並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。
這短短900秒的旅行，凝結了設計師們無數的心血，一次次分析、一次次計算、一次次論證、一次次試驗……絞盡了腦汁，費盡了心思，最終成就了太空中精彩一躍，為探測器安全順利返回打牢了基礎。
五院502所專家告訴記者，嫦娥五號返回器中的計算機會根據當前的位置和速度信息，結合落點位置進行制導處理，自動規劃出一條從返回器當前位置到打開降落傘地點的最佳飛行路徑，然後通過向安裝在返回器外的發動機發送噴氣控制指令，調整返回器姿勢，使返回器沿著規劃出的軌跡飛行，最終使返回器「條條大路通落區」。
「可以說，在六七千公裡的飛行過程中，在允許的偏差範圍內，嫦娥五號返回器可以『自由飛翔』。」五院502所專家說。
回家途中高溫「攔路虎」
嫦娥五號返回器回家途中的另一個「攔路虎」就是高溫。
見過神舟飛船返回艙的人一定對它烏黑的外表印象深刻。這是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的。
「再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍！高速進入大氣層時摩擦產生劇烈高溫，熱量急劇提升為太空飛行器返回帶來巨大挑戰。」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說，如此高的溫度一旦進入返回器內部，後果將不堪設想。
如何防熱、怎麼對抗燒蝕，成為必須攻克的難關。董彥芝告訴記者，因為運載承載能力的約束，嫦娥五號返回器的質量受到嚴格限制。科研人員在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料，還需要對返回器結構本身採用輕量化的設計。
為此，中國航天科技集團五院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，科研人員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，實現了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計跨越；
其次，科研人員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了基礎。
董彥芝告訴記者，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、正樣器……嫦娥五號探測器的防熱「霓裳羽衣」精心「縫製」而成，成為其安全順利返回地球家園的生命保證。
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，相當於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。
按計劃，回收後的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作後，將空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機舉行交接儀式，正式向地面應用系統移交月球樣品，中國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也將隨之啟動。
本文綜合自《中國青年報》，《科技日報》
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本文來源：觀察者網 責任編輯： 吳金明_NB17976