嫦娥五号归来路上的拦路虎

12月17日1时59分，嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志着中国首次地外天体采样返回任务圆满完成。嫦娥五号任务实现了我国首次月面采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、携带样品再入返回等多项重大突破，其成功实施标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走规划如期完成。

勤勤恳恳的“行李转运员”

嫦娥五号的着陆器与上升器组合体成功采样之后，携带月壤的上升器无法利用自身的动力返回地球，必须通过“太空物流”的形式，将货物接力送达。而“太空物流”顺畅与否，关键要看“交会对接”。国际空间站里，主要依靠对接机构来实现更大吨位的飞行器组装。载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构，在对接后可形成一个通道，方便航天员在其中穿行。

与载人航天对接机构不同，嫦娥五号探测器采用抱爪式对接机构，由3套K形抱爪构成，当上升器靠近时，只要对准连接面上的3根连杆，将抱爪收紧，就可以实现两器的紧密连接。嫦娥五号从月面取土归来的途中，上升器和轨道器完成了首次月球轨道交会对接，珍贵的月球土壤样品“包裹”得以转移至返回器内。轨道器就像在月球轨道环绕的“邮差”，勤勤恳恳地完成“打包”“装箱”后，迅速进入月地转移轨道执行隔空投送，将月壤样品捎回蓝色星球。

防热“霓裳羽衣”

嫦娥五号返回器“回家”途中的另一个拦路虎是温度。高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温，热量急剧提升也为航天器返回带来巨大挑战。高温一旦进入返回器的内部，后果不堪设想。

如何防热、怎么对抗烧蚀成为必须攻克的难关。为此，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，设计团队提出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7种防热材料，完成防热材料的布局和局部防热结构设计，实现了中国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。其次，设计团队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基础。

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，成为安全顺利返回地球家园的生命保证。

“太空水漂”回归地球

嫦娥五号返地球采用了一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入返回。“就像在太空中打水漂，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，然后再减速扎入大气层，返回地面，整个过程环环相扣，在15分钟内完成。”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介绍说。

其实，相较于地球轨道，从月球到地球的返回最大的区别就是速度，嫦娥五号是携带月球样品以每秒11.2公里的第二宇宙速度高速返回地球。“打水漂”就是为了让返回器在大气层中的飞行和再次升高的过程中消耗足够多的能量，从而把速度降到每秒7.9公里的第一宇宙速度。

中国的这个“太空水漂”，准确来说应该叫“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，其速度会进一步降低，在降到第一宇宙速度以下时返回器开始下落，然后以类似神舟飞船的返回过程返回地球，后面的过程就轻车熟路了。

嫦娥五号返回地球为何要采用“打水漂”的形式？中國航天科技集团五院502所专家介绍称，“打水漂”是为了借大气层的“东风”，利用大气的阻力和大气与返回器的摩擦消耗返回器的动能。据悉，从第一次进入地球大气层到落地，嫦娥五号返回器要在“风驰电掣”和“大起大伏”的状态下飞行六七千公里。

当然，高科技加持的“太空水漂”与儿时在池塘边玩的“打水漂”还是不同的，小时候玩的瓦片儿一旦甩出便不再可控，但嫦娥五号的“太空水漂”全过程都是可控的，只不过这种控制是由返回器自己来完成。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”。那么，返回器是如何实现过程中的“差之毫厘”而结果不会“谬以千里”？这就依靠502所为嫦娥五号配备的制导导航与控制（GNC）系统。

（综合中新社，新华社讯）