嫦娥五號返回器成功着陸　背後經歷「三大難關」

周四（17日）1時59分，嫦娥五號返回器攜帶著月球土壤的樣本，在內蒙古四子王旗預定區域安全着陸，完成中國首次地外天體採樣返回任務，標誌著中國探月工程「繞、落、回」三步走收官之戰取得勝利。
此前成功發射的嫦娥一號、二號、三號、四號等月球探測器均因任務要求等，不再返回地球。不同的是，嫦娥五號歷時23天，經過地月轉移、近月制動、環月飛行、月面着陸、自動採樣、月面起飛、月軌交會對接、再入返回等環節最終成功着陸地球。
持「地月往返票」的嫦娥五號，在返回的過程中又經歷了怎樣的考驗呢？

嫦娥五號在太空中「打水漂」

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、着陸器、上升器四部分組成，但最後回到地球的只有裝著月壤和月岩的返回器。返回器從月球返回的速度為接近每秒11.2公里的第二宇宙速度，是早前神舟系列飛船返回地球的第一宇宙速度的約30多倍音速的高速。高速進入大氣層時將劇烈摩擦產生高溫，熱量急劇提升為航天器返回帶來巨大挑戰。因此，嫦娥五號安全順利返回地球要解決的是速度與溫度的問題。

在減速方面，中國航天科技集團五院總體設計部的軌道設計師們提出了讓返回器採用半彈道跳躍式再入返回，就像在太空中「打水漂」，借助空氣摩擦產生的阻力可以實現減速的方案。總體設計部的嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰介紹指，「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」。

凌晨1時33分，嫦娥五號返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度後，返回器向上躍出大氣層，到達最高點後開始滑行下降。之後，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。「此次嫦娥五號選擇是一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入，具有中國特色，『打水漂』就是為了讓返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中消耗足夠多的能量，從而把速度降下來」。

「打水漂」的關鍵——氣動技術

據了解，氣動技術研究工作的全面性和正確性是返回器成功實施跳躍式高速再入返回的關鍵。與返回衛星、神州飛船等採用第一宇宙速度近地返回不同的是，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。

總體設計部設計師李齊介紹道，「首先，高速再入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；再有一點，由於輕小型化要求，探月三期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，尺寸的減小和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也提出了更高的要求」。

總體設計部的氣動團隊經過多次研究討論及分析計算，最終完成了輕小型半彈道跳躍式深空高速再入返回器的氣動外形設計和氣動特性研究，突破多項關鍵技術。

防熱的「大傘」

上文提到，高溫亦是嫦娥五號安全順利返回地球要解決的問題。總體設計部設計師董彥芝指「再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8-9倍」。在降至距地面約10公里高度時，嫦娥五號返回器打開降落傘完成最後減速並保持姿態穩定，隨後在預定區域平穩着陸。

這個降落傘正是嫦娥五號的「防熱衣」。據了解，總體設計部的設計師們，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成了防熱材料的佈局和局部防熱結構設計，並提出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。

經過防熱結構設計、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究等，防熱的「大傘」精心「縫製」而成，成為安全順利返回地球的保證。

（綜合報道）