嫦娥五號歸來!月球「土特產」帶回來了!

2020-12-19 經濟日報

記者從國家航天局獲悉,北京時間12月17日1時59分,探月工程嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸,標誌著我國首次地外天體採樣返回任務圓滿完成。

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,我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。

降速度,讓返回器在太空「打水漂」

截至目前,世界上只有美國、蘇聯的太空飛行器以及我國嫦娥五號開展過繞月再入返回試驗。資料顯示,國外的再入太空飛行器共有三類:彈道式再入太空飛行器、彈道-升力式再入太空飛行器和升力式再入太空飛行器。而我國的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。這一「中國特色」的再入返回是什麼意思呢?為什麼要選擇這種方式呢?

據中國航天科技集團五院專家介紹,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公裡的差距。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仍下來速度肯定不一樣。同理,太空飛行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。此外,高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫,熱量急劇提升也為太空飛行器返回帶來巨大挑戰。

要想讓嫦娥五號安全順利返回地球首要解決的兩大重要難題就是速度和溫度這兩隻「攔路虎」。究竟如何才能成功減速?這是一個世界級的難題。

在反覆學習、研究美蘇經驗的基礎上,根據我國太空飛行器實際情況,嫦娥五號總體設計部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,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,將在15分鐘內完成。」來自總體設計部的嫦娥五號探測器總體主任設計師孟佔峰介紹說。

降溫度,為返回器設計「防熱衣」

返回器返回途中的另一個攔路虎是溫度。

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,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8-9倍」。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,後果將不堪設想。

如何防熱?怎樣對抗燒蝕?成為技術團隊必需攻克的難關。而因運載承載能力的約束對返回器的質量提出了嚴格限制,在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料,而且還需要返回器結構本身採用輕量化的設計。

為此,總體設計部防熱結構設計團隊為返回器巧妙設計了一件「防熱衣」。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,實現了我國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計的跨越。

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,成為安全順利返回地球家園的生命保證。

(攝影:我們的太空創新實踐中心 汪江波)

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