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          首創太空“打水漂”,精心縫制防熱衣,嫦娥五號返回地球戰勝了兩只“攔路虎”
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          來源:上觀新聞 作者:劉錕 2020-12-17 05:16
          摘要: 半彈道跳躍式再入返回究竟有何特點,嫦娥五號為何選擇這一方式?

          12月17日凌晨1時59分,攜帶著月球樣本的嫦娥五號返回器成功降落在內蒙古四子王旗預定地點,標志著我國首次月面自動采樣返回任務取得圓滿成功。

          回顧歷次探月任務,中國“嫦娥”均取得圓滿成功,但是各自歸宿因為任務要求或飛向遙遠深空或永遠“棲身”月球。與幾位“姐姐”有去無回相比,嫦娥五號是個幸運兒,因為執行自動采樣返回任務而拿到了一張彌足珍貴的“回程票”。但返回之旅并非一路坦途,其中,極具中國特色的“半彈道跳躍式再入返回”立下了頭功。

          截至目前,世界上只有美國、蘇聯的航天器以及我國嫦五T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。而我國的探月工程則采用了一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入返回。

          半彈道跳躍式再入返回究竟有何特點,嫦娥五號為何選擇這一方式?

          嫦娥五號返回器從月球飛回來的速度是每秒11.2公里的第二宇宙速度,而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒7.9公里的第一宇宙速度,可別小看了這每秒3公里的差距。這就好比扔石頭,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,航天器從數百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠的月球返回速度必然不同,且差距巨大。

          要想讓嫦娥五號安全順利返回地球,首要解決的就是速度這只“攔路虎”。

          在反復研究美蘇經驗基礎上,根據我國航天器實際情況,中國航天科技集團的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,并提出了一個大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。中國航天科技集團專家解讀說,這就像在太空中“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,要在15分鐘內完成。

          中國獨創的太空“打水漂”,讓嫦娥五號安全返回地球

          然而,就是這短短15分鐘的旅程,卻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……最終成就了太空中精彩的跳躍。

          嫦娥五號探測器返回途中還有一只“攔路虎”,那就是溫度。

          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。專家表示,再入的速度提高一倍,再入熱量將提高8到9倍。如此高的溫度,一旦進入返回器的內部,后果不堪設想。

          為了對抗高速進入大氣層時摩擦產生的劇烈高溫威脅,嫦娥五號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,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。

          其次,提出了三維傳熱燒蝕分析方法,采用整體變厚度、變密度,分區域、偏軸設計方案,突破了輕量化設計關鍵技術,并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,為任務成功奠定了基礎。

          科研人員精心設計的防熱服,可對抗返回器進入大氣層時因摩擦產生的劇烈高溫

          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“防熱服”可謂精心“縫制”而成,最終成為返回器安全順利返回地球的生命保障。

          欄目主編:劉錕 文字編輯:劉錕 題圖來源:國家航天局
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