“嫦娥”回家惊心动魄900秒:太空“打水漂”高

来源:  作者:木木    时间:2021-05-31 23:25  

(原标题:“嫦娥”回家惊心动魄900秒:太空“打水漂”高速归来)

北京时间12月17日1时59分,“采撷月壤”的嫦娥五号荣耀归来,稳稳着陆在内蒙古四子王旗,中国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功。

与嫦娥一号、二号、三号、四号4位“姐姐”相比,嫦娥“五姑娘”无疑是个幸运儿,因为执行自动采样返回任务而拿到了一张珍贵的地月旅行“往返票”。截至目前,世界上只有美国、苏联的航天器以及中国探月三期再入返回飞行试验器成功开展了绕月再入返回试验。

来自国家航天局的消息称,作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,嫦娥五号任务成功实现了多方面技术创新、突破了一系列关键技术,从太空以“打水漂”的形式带样返回地球,就是其中一个重大突破。

嫦娥五号返回器如何回家, “太空水漂”又是如何完成的?记者就此采访了嫦娥五号任务相关专家。

“嫦娥”回家惊心动魄900秒:太空“打水漂”高速归来

(嫦娥五号以接近第二宇宙速度返回地球示意图,中国航天科技集团五院供图)

嫦娥五号回家!23天76万公里路程 180秒还原“嫦娥五号”太空险途 (来源:original)

在太空“打个水漂”再回来

很多人都试过“打水漂”,找一片薄薄的石头或者瓦片,放低身姿,将石头或者瓦片斜贴着水面掷出,有意思的一幕便会出现:石头或者瓦片扎入水里后又会快速跃出,回到空中,再扎入水里,又回到空中……如此重复多次。

这次,嫦娥五号返回器就是在太空中打了“水漂”之后回来的。

这个“太空水漂”,航天术语叫“半弹道跳跃式返回”,即在返回器第一次进入大气层一定“深度”并滑行一定距离后,调整返回器姿态,使其再次升高,随着返回器的升高,其速度会进一步降底,在降到第一宇宙速度以下时返回器便不再满足成为一颗地球卫星的基本条件,再次开始下落,然后以类似神舟飞船的返回过程返回地球,后面的“回家”方式就轻车熟路了。

“为什么要采用这种‘打水漂’的形式回家呢?” 中国航天科技集团五院总体设计部嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰告诉记者,嫦娥五号返回器从月球归来的速度是高达每秒11.2公里的第二宇宙速度,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒7.9公里的第一宇宙速度,可别小看了这每秒3公里多的差距,航天器如果以过高的速度进入大气层,摩擦产生的剧烈高温将带来极大风险,因此必须解决“减速”问题。

中国航天的轨道设计师们,决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障,让返回器在太空中潇洒地打个“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,在15分钟内完成。”孟占峰说。

嫦娥五号能否成功打出一个漂亮的“水漂”,关键在于气动技术研究工作的全面性和正确性。

五院总体部设计师李齐在接受科技日报的采访时介绍,相比近地轨道航天器返回,嫦娥五号面临的气动问题更加复杂,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。

首先,高速再入会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。

第三,由于轻小型化要求,嫦娥五号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、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提出了更高要求。

此外,相比返回式卫星和神舟飞船返回舱,本次任务中返回器面临的热环境要恶劣得多。由于高温效应,必须要考虑高温辐射加热影响,而这是近地轨道航天器分析再入热环境时不需要考虑的。

面对重重考验,五院总体部气动团队开展关键技术攻关,从国内外同类返回飞行器的气动研究成果中汲取经验,同时积极向院内外系统专家请教,终于准确把握了返回器气动研究工作难点和关键点,制定了全面详细的气动研究大纲。

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。气动团队携手多个国内专业气动单位,开展了30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,他们完成了相关研究,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、基于时变估计偏差的配平质心盒设计方法,以及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;同时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,为嫦娥五号任务圆满成功立下了汗马功劳。

这短短900秒的旅行,凝结了设计师们无数的心血,一次次分析、一次次计算、一次次论证、一次次试验……绞尽了脑汁,费尽了心思,最终成就了太空中精彩一跃,为探测器安全顺利返回打牢了基础。

五院502所专家告诉记者,嫦娥五号返回器中的计算机会根据当前的位置和速度信息,结合落点位置进行制导处理,自动规划出一条从返回器当前位置到打开降落伞地点的最佳飞行路径,然后通过向安装在返回器外的发动机发送喷气控制指令,调整返回器姿势,使返回器沿着规划出的轨迹飞行,最终使返回器“条条大路通落区”。

“可以说,在六七千公里的飞行过程中,在允许的偏差范围内,嫦娥五号返回器可以‘自由飞翔’。”五院502所专家说。

回家途中高温“拦路虎”

嫦娥五号返回器回家途中的另一个“拦路虎”就是高温。

见过神舟飞船返回舱的人一定对它乌黑的外表印象深刻。这是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至9倍!高速进入大气层时摩擦产生剧烈高温,热量急剧提升为航天器返回带来巨大挑战。”中国航天科技集团五院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说,如此高的温度一旦进入返回器内部,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。董彦芝告诉记者,因为运载承载能力的约束,嫦娥五号返回器的质量受到严格限制。科研人员在设计过程中不仅需要新型低密度防热材料,还需要对返回器结构本身采用轻量化的设计。

为此,中国航天科技集团五院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,科研人员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跨越;

其次,科研人员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。

董彦芝告诉记者,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,成为其安全顺利返回地球家园的生命保证。

在返回大气层对抗烧蚀环境之前,嫦娥五号在飞行过程中还有大热耗散热需求。隔热与散热,听起来几乎是不可调和的矛盾。

然而五院总体部热控设计师们攻克了异构式环路热管热控技术,相当于给返回器增加了可调节热导的“热开关”,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难题。

太空飞行期间,嫦娥五号还面临着温差高达数百度的宇宙环境。五院嫦娥五号探测器热控分系统主任设计师宁献文介绍,为了让嫦娥五号舒适地飞行,热控人员根据受热要求为它设计了薄厚不一的“金衣银饰”,通过寻找最冷最热点,优化热控策略,确保器内温度稳定而平均。

按计划,回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后,将空运至北京开舱,取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式,正式向地面应用系统移交月球样品,中国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。

本文综合自《中国青年报》,《科技日报》

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