探月工程三期“小嫦娥”勇闯四关

　　11月1日，我国探月工程三期再入返回飞行试验器返回器顺利着陆。图为工作人员将“钟鼎”型的返回器固定在车上。

　　新华社发

　　10月24日凌晨2时，我国探月工程三期再入返回飞行试验器在西昌卫星发射中心成功发射，并于28日凌晨3点多到达距离月面1.2万公里的近月点。经过8天4小时42分钟的太空飞行，再入返回飞行试验器返回器于北京时间11月1日6时42分在内蒙古的四子王旗预定区域顺利着陆。至此，探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。

　　从试验器发射升空，到三天后与月球“擦肩而过”，再到调头返回，最后安然落地，尽管每一个环节都不负众望，但事实上“小嫦娥”的回家之路并不容易。若要精准完好地返回地球，它需要闯过多道难关，这背后是多项技术的创新支持。本报记者奔赴一线深入采访，为您揭秘“小嫦娥”如何机智应对难关、重返地球。

　　难关一：轨道设计要精确无比

　　应对招数：绕月自由返回轨道帮助飞行器原路返回

　　飞行试验器从地球发射出去，经过几天飞行到月球附近，环绕月球后又要精确返回地球。此外，在返回地球时，再入点参数精度要求也非常高。因此，要想顺利完成这一过程，轨道设计就成为关键，这里既有力学方面的难点，同时也有控制方面的难点。对此，工程科研人员经过大量设计论证后决定采用绕月自由返回轨道。

　　航天科技集团公司五院主任设计师戴居峰介绍说：“月球不是固定不动的，所以我们发射出去的试验飞行器所要瞄准的是一个活动的目标。飞行器飞行的时候，月球还没有过来，大概飞行了四五天之后月球才过来，实际上它们是一个交会过程。此外，月球本身有引力场特性，它的引力场跟地球完全不一样，非常不规则。于是，我们在设计轨道的时候就必须利用月球引力的不规则特性，把轨道扭转弯。借助这个特性让飞行器飞回地球，还要让它准确地飞入一个叫返回走廊的窗口，让它能够返回到地球。”

　　绕月自由返回轨道的设计，虽然解决了飞行器能够按原轨道返回的问题，却给测控方面带来了一定的难度。

　　“全新的绕月自由返回轨道，对定轨和预报精度要求很高。而且，这次任务轨道控制次数多、姿态机动频繁，影响轨道测量精度的因素复杂。”再入返回飞行试验任务测控通信指挥系统飞控组组长、北京航天飞行控制中心总工程师周建亮说。

　　为了解决这一难题，北京航天飞控中心模拟各类误差进行仿真打靶分析，设计制定了适用于各个阶段的数据使用原则和定轨策略；同时研究制定了利用多个航天测绘站接力跟踪、联合测轨的实施方案，实现了定轨和预报的高精度要求。

　　难关二：温度最高2000多摄氏度

　　应对招数：首个国产宇航级环路热管道调节冷暖，特殊材料保护高温烧蚀

　　在整个地月往返过程中，飞行器一直都是以接近第二宇宙速度飞行，特别是在返回时先后两次进入大气层，时间长，热流密度大，最高温度可达2000多摄氏度，相当于用炉子持续猛烧。在这种情况下，如何保证飞行器的正常“体温”非常重要，也是一个很大的难点。

　　“我们根据飞行器飞行的不同阶段，采取了不同的热控措施。”航天科技集团公司五院飞行试验器副总设计师彭兢说。

　　彭兢解释，地月往返的飞行过程中，飞行器是在茫茫宇宙中飞行，背景是深冷的空间。在这个空间里，它对着太阳的那边很热，晒不着太阳的一边又很冷。这期间，飞行试验器里面的返回器部分又是不能工作的，整个飞行试验器里面有些设备关着机，有些设备开着机。开机工作的设备对温度要求很高，因此这个飞行阶段对热控的需求就是晒太阳的时候要想办法散热，等到背向太阳的时候又要想办法给它加热。

　　等到返回器返回地球再入大气层时，热控的需求又发生了很大的变化。因为返回器是以每秒11公里的速度再入，气动加热使得它的温度升得很高，那时要想办法把它外部的热流隔绝开来。

　　“为了满足飞行器在太空飞行阶段的热控需求，我们研制了首个国产宇航级环路热管来调节冷暖。同时，在返回器外部包裹一层特殊材料，通过它的烧蚀把摩擦产生的热量燃烧散发掉，不让它灌向舱内，以此来解决飞行器再入大气层时的防热问题。”飞行试验器热控分系统主任设计师宁献文说。

　　难关三：速度太快容易摔毁

　　应对招数：半弹道跳跃式再入方式返回，有点像用石头在河里打水漂

　　为了不被地球引力拉回来，飞行试验器必须以接近第二宇宙速度飞出去，返回时的速度和飞出去的速度基本一样。返回器再入返回过程是：从它自地球表面120公里的高度这一点开始，大约经历20到40分钟飞行时间后落到地面。这一段返回器初始的速度接近10公里每秒，中间会有一段由于地球引力作用使它加速，最快时可达到10.66公里每秒。

　　如此之快的速度，大气层的气动阻力不足以抵消，为了避免返回器因为速度太快而摔毁，任务设计和采用了半弹道跳跃式再入方式返回。

　　“打个比方，‘半弹道跳跃式再入’有点像我们用石头在河里打水漂。飞行器返回，第一次进入大气层时，先跃起，然后经过一段时间飞行，再第二次进入大气层，返回地球。”探月工程三期副总设计师郝希凡说。

　　戴居峰说：“我们设计的这种跳跃式返回方式就是为了延长飞行器在大气层飞行的轨迹，以降能减速，确保飞行器返回顺利。”

　　当然，仅是依靠气动减速，很难把返回器降到一个安全的速度着陆，所以最后还需要通过其自身装备的降落伞把它落地的速度减到10米每秒这个量级，这样着陆到地面时，才不会产生剧烈的撞击，把上面的设备撞坏。同时为了配合搜索，返回器安装有一些信标，这些信标要在返回器着陆后工作48小时，这样回收系统才能精确地找到它。

　　难关四：大气环境变幻莫测

　　应对招数：制导导航系统实时应对，返回器外形选择“钟鼎”设计

　　距地面120公里时，返回器第一次进入大气层，“跳跃”飞行一段后第二次进入大气层。距地10公里处，打开降落伞。从距地面120公里第一次进入大气层到着陆，航程7000公里。这么长的航程，它在飞行过程中会面临各种各样的不确定性，大气环境的变幻莫测就是最大困难。

　　“飞行试验器再入过程中因为气动烧蚀，外形会发生变化，一旦外形变化，原来给外形的一些气动力和气距的预设估计就会发生变化。”彭兢说，“此外，有可能飞行过程中有的大气活动会给返回器的运动造成干扰，例如高空流、速度很高的风等，这些都会影响它飞行的状态。”

　　“进入大气层后，制导导航系统要实时对气动参数、大气密度进行辨识、仿真、计算，这些必须在极短的时间内完成。”航天科技集团公司五院飞行试验器返回器制导导航系统副总设计师王勇说。

　　返回器返回大气层时还会受到气动作用，并产生各种各样的力和力矩。“一方面我们希望返回器自身的气动特性保证它的稳定性，另一方面要通过做大量复杂计算和大量的地面风洞试验来获得一些较为准确的力和力矩数据，便于控制系统对返回器进行精确控制。”彭兢说，“之所以选择了‘钟鼎’作为返回器的外形设计，也是根据这些数据。”

（责编：惠晶）