回家：重返地球的科技之路

■解放軍報(bào)記者 張 新 特約記者 張 未 宋星光

12月1日23時(shí)11分，嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預(yù)選著陸區(qū)，并傳回著陸影像圖。

離別10多天，嫦娥五號(hào)踏上了回家之旅！

嫦娥“游子”歸心似箭，祖國(guó)母親期許滿(mǎn)滿(mǎn)。38萬(wàn)公里漫漫回家路，嫦娥五號(hào)每走一步，都讓國(guó)人無(wú)限牽掛。

月光照亮了“嫦娥”回家的路，也照亮了中國(guó)探月夢(mèng)想的天梯。

國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹說(shuō)，此次嫦娥五號(hào)探月返回任務(wù)，已創(chuàng)造和將實(shí)現(xiàn)5個(gè)“中國(guó)首次”：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會(huì)對(duì)接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲(chǔ)、分析和研究。

如果一切順利，嫦娥五號(hào)將把約2000克的月壤樣品“打包”帶回地球。

不要小看這個(gè)數(shù)字，約2000克的目標(biāo)決定了中國(guó)探月的分量，折射出一個(gè)國(guó)家航天實(shí)力的高度。

“嫦娥”探月的背后，是一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)的集智突破、一項(xiàng)項(xiàng)創(chuàng)新成果的破殼而生。這些科技成果架起了通往月球的天梯，讓中國(guó)人走出了一條屬于自己的探月之路。

隨著嫦娥五號(hào)探月任務(wù)進(jìn)入尾聲，中國(guó)探月工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)即將完成，中國(guó)人探索太空的腳步會(huì)邁得更大、更遠(yuǎn)。

挑戰(zhàn)一 月面起飛

“摘片月亮”難度大，捎上“特產(chǎn)”要平穩(wěn)

在順利完成月球采樣后，嫦娥五號(hào)上升器月面點(diǎn)火，輕盈地奔向等待它的太空“母港”——嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體。

自此，嫦娥五號(hào)正式踏上回家之旅。

從月球出發(fā)，把約2000克月壤樣品“打包”帶回，是這次探月的核心任務(wù)。約2000克月壤樣品，是月球送給我們的一份珍貴禮物。

回家之路，遙遙38萬(wàn)公里，每一步都充滿(mǎn)風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。

嫦娥五號(hào)上升器跨出的第一步——從月面點(diǎn)火起飛，就是一個(gè)高難度科目，這是嫦娥五號(hào)的亮點(diǎn)，也是任務(wù)的難點(diǎn)。

若飛行器在地球上發(fā)射，有專(zhuān)門(mén)的發(fā)射塔架，點(diǎn)火起飛位置經(jīng)過(guò)精確測(cè)算，飛行軌道也是一遍遍計(jì)算好的。而月面起飛就不一樣了——沒(méi)有成熟完備的發(fā)射塔架，上升器只能站在著陸器身上發(fā)射。

嫦娥五號(hào)上升器從月面起飛，不確定性非常大，可視為一次從月球發(fā)射航天器的無(wú)人試驗(yàn)。能否成功起飛關(guān)系到后面交會(huì)對(duì)接能否順利實(shí)現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)是交會(huì)對(duì)接的起點(diǎn)，需要上升器精確瞄準(zhǔn)交會(huì)對(duì)接的軌道器和返回器組合體。

正如嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢所言：“這個(gè)位置可能會(huì)存在一定的偏差，不像在地球表面可以精確到米，在月球上現(xiàn)在的指標(biāo)可能就是百米量級(jí)，這些誤差都會(huì)影響到入軌的精度?！?/p>

經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)，嫦娥五號(hào)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了嫦娥五號(hào)上升器起飛時(shí)自主定位、定姿，護(hù)送上升器離開(kāi)月球。

所幸，中國(guó)航天人付出的一切努力，換來(lái)了嫦娥五號(hào)上升器的順利飛天。

挑戰(zhàn)二 交會(huì)對(duì)接

“太空郵差”來(lái)幫忙，空中接力送“快遞”

從月面起飛后，嫦娥五號(hào)上升器便飛到月球軌道上。但僅憑一己之力將月壤樣品送回地球，非其力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)接，把樣品交給返回器，讓它完成接下來(lái)的旅程。

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)成功實(shí)施了3次無(wú)人月球采樣任務(wù)，先后發(fā)射“月球16號(hào)”“月球20號(hào)”和“月球24號(hào)”探測(cè)器，從月球共帶回300多克月壤樣品。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)采用了探測(cè)器從月面起飛直接返回地球的方案，這種方案導(dǎo)致探測(cè)器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力卻極為有限。

經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐探索，我國(guó)在載人航天領(lǐng)域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)。但在38萬(wàn)公里外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接，還是人類(lèi)探月史上的第一次。

此前，嫦娥五號(hào)上升器與軌道器和返回器組合體成功上演“月宮之吻”，完成月壤樣品的“收件”工作。兩個(gè)航天器在月球軌道進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接，“針尖”對(duì)“針尖”，對(duì)接相當(dāng)精準(zhǔn)，堪稱(chēng)中國(guó)探月的“神來(lái)之筆”。

看似“神來(lái)之筆”，背后的技術(shù)卻異常復(fù)雜、難度系數(shù)非常高，稍有不慎就會(huì)讓軌道器這個(gè)“太空郵差”白跑一趟。

過(guò)去，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器采用的是“異體同構(gòu)周邊”式對(duì)接機(jī)構(gòu)。然而，嫦娥五號(hào)上升器與軌道器和返回器組合體的重量相差較大，如果套用過(guò)去的“老模式”，一旦控制不好速度和彼此位置，上升器很可能被“撞飛”。這一次，嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)。

通俗地講，抱爪就像手握棍子的動(dòng)作——兩個(gè)方向一用力，把棍子牢牢握在手中。探測(cè)器的對(duì)接機(jī)構(gòu)由3套抱爪構(gòu)成，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器的緊密連接。這種全新對(duì)接機(jī)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。

此次，由航天科工集團(tuán)二院研制的嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，作為中遠(yuǎn)距離測(cè)量的“助手”，成功引導(dǎo)完成了嫦娥五號(hào)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

“與近地軌道相比，月球軌道環(huán)境更復(fù)雜，交會(huì)對(duì)接對(duì)微波雷達(dá)的測(cè)角精度要求更高。微波雷達(dá)主要作用在100公里到20米的中遠(yuǎn)程范圍，精度的提高大幅提升了精準(zhǔn)對(duì)接的勝算。”交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武說(shuō)。

此外，裝有對(duì)接用應(yīng)答機(jī)的上升器在落月時(shí)難免形成揚(yáng)塵，這些肉眼不可見(jiàn)的干擾將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)角精度。

為確保安全度過(guò)月球之旅，設(shè)計(jì)師們?cè)趹?yīng)答機(jī)上安裝了特殊材料制成的防塵罩，“就像戴上了護(hù)目鏡，嫦娥的‘千里眼’就不會(huì)變成近視眼?！睂O武說(shuō)。

當(dāng)上升器與軌道器和返回器組合體對(duì)接完成后，上升器將裝有月壤樣品的容器轉(zhuǎn)移到返回器中。月球軌道完成無(wú)人樣品轉(zhuǎn)移，在人類(lèi)的航天歷史上還是首次。連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得足夠巧妙，彭兢作了一個(gè)比喻：“這個(gè)構(gòu)型很像扎帶，相連后單方向傳遞，只能前進(jìn)不能后退。”

38萬(wàn)公里外，捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，高速運(yùn)行的上升器與軌道器和返回器組合體，每完成一步都讓人驚心動(dòng)魄——相比地球軌道，月球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小、時(shí)效性要求高，必須一氣呵成完成對(duì)接與轉(zhuǎn)移任務(wù)。

當(dāng)返回器“吞入”樣品、關(guān)上蓋子，軌道器和返回器組合體與上升器分離，在預(yù)定時(shí)機(jī)加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，踏上回家的路。

在太空飛行時(shí)，嫦娥五號(hào)猶如變形金剛，要完成不少“花式表演”，而這些都要仰仗軌道器的“本事”和“能耐”。

為此，中國(guó)航天人將“太空郵差”打造成“無(wú)敵小能手”。受探測(cè)器整體重量約束，“太空郵差”在具備強(qiáng)大承載能力的同時(shí)，還能“身輕如燕”。

挑戰(zhàn)三 返地控制

飛行控制精度高，如同太空“打水漂”

與神舟飛船以第一宇宙速度返回不同，此次任務(wù)返回器進(jìn)入大氣層的速度接近第二宇宙速度。

以這樣的速度返回地球，如果不能“踩上一腳急剎車(chē)”，返回器會(huì)在大氣層中燒蝕殆盡。

然而，返回器減速可不像開(kāi)車(chē)踩剎車(chē)那么簡(jiǎn)單。嫦娥五號(hào)返回任務(wù)，我國(guó)采用了半彈道跳躍方式，就像在大氣層表面“打水漂”——讓返回器先高速進(jìn)入大氣層，隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來(lái)，再以第一宇宙速度重新進(jìn)入大氣層返回地面。

這是生死一“跳”。如果“跳”成功，返回器速度會(huì)降到第一宇宙速度，后面的過(guò)程就輕車(chē)熟路了。

值得一提的是，6年前，我國(guó)成功發(fā)射探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器，模擬了嫦娥五號(hào)奔月、繞月、返回的全過(guò)程，并對(duì)半彈道跳躍方式進(jìn)行了成功驗(yàn)證，使我國(guó)成為繼美、蘇之后，世界第3個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國(guó)家。

即使采用半彈道跳躍方式返回，返回器再入大氣層仍然會(huì)面臨熱控方面的挑戰(zhàn)。返回器再入速度大、時(shí)間長(zhǎng)，表面溫度最高可達(dá)2000多攝氏度，如果傳導(dǎo)到內(nèi)部，將對(duì)攜帶的月壤樣品產(chǎn)生影響。

為此，中國(guó)航天人采取了一系列措施來(lái)保證嫦娥五號(hào)返回器平安回家——

巧妙設(shè)計(jì)返回器外形。返回器就像一個(gè)窩頭，側(cè)面挖一個(gè)洞，洞里面就是推力器。在大氣層飛行時(shí)，返回器不僅會(huì)受到阻力，也會(huì)產(chǎn)生一定升力。靠著這一點(diǎn)點(diǎn)升力，返回器就能成功實(shí)現(xiàn)半彈道跳躍方式返回。

為返回器披上“防熱服”。返回器采用蜂窩結(jié)構(gòu)防熱層，里面填充了新型耐燒蝕材料。在氣動(dòng)加熱導(dǎo)致溫度升高時(shí)，這種新型材料能讓返回器與熱流有效隔絕。

自主飛行過(guò)“黑障”。返回器兩次高速進(jìn)入大氣層都會(huì)產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象。高速摩擦?xí)狗祷仄鞅砻鏆饣?，產(chǎn)生等離子鞘套，屏蔽了返回器與地面的聯(lián)系。雖然“黑障”過(guò)程中天地通信中斷，但并不意味著返回器會(huì)失控，一些重要指令在進(jìn)入“黑障”前已經(jīng)寫(xiě)入返回器，返回器可以按照預(yù)設(shè)內(nèi)容來(lái)執(zhí)行指令。

回收開(kāi)傘成功率更高。在距地面10多公里處，返回器需要借助降落傘進(jìn)行回收著陸。中國(guó)航天人為它量身打造了輕小型化回收系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化降落傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)材料和制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與傘衣連接的傘繩在承受力度不變的前提下減重20％以上；為確保安全可靠，在彈傘、脫傘等環(huán)節(jié)上都設(shè)計(jì)了備用方案，以實(shí)現(xiàn)“雙保險(xiǎn)”。多管齊下，確保第一時(shí)間回收返回器。

不知不覺(jué)，嫦娥五號(hào)已經(jīng)與我們分別了10多天。

短暫的離別，是為了更好的相聚。在接下來(lái)的日子里，我們期待嫦娥五號(hào)能夠順利完成任務(wù)。

嫦娥五號(hào)，等你回來(lái)！

嫦娥五號(hào)采樣返回示意圖

嫦娥五號(hào)探月，劇情格外精彩。解放軍報(bào)聯(lián)合“我們的太空”公眾號(hào)運(yùn)用全息技術(shù)，呈現(xiàn)可視化的“探月大戲”。掃描二維碼，觀看探月相關(guān)新聞。

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三十四號(hào)軍事室

制圖：張 珂