嫦娥五號大獲全勝返回艙32馬赫高速再入，力抗上萬度高温
公元2020年12月17日凌晨1時59分，嫦娥五號月球採樣返回器成功着陸於內蒙古四子王旗主着陸場，地面搜索分隊在6次落點預報導引下順利找到返回器。至此，首次採用月軌無人交會對接方案的月球採樣返回任務迎來了史詩般的偉大勝利。
自發射以來的23天任務時間裏嫦娥五號可謂是過五關斬六將，完美無瑕地闖過了全部11道艱難險關，在此次任務中我們連續攻克了大噸位航天器地月轉移軌道入射、機械臂與鑽機聯合月面採樣、地外天體樣品封裝、地外天體發射、人類首次無人月球軌道自動交會對接等一系列核心技術能力。
奠基嫦娥五號取得偉大勝利的最後一關則是第二宇宙速度高速半彈道跳躍式再入返回，這一殿堂級技術。
縱觀嫦娥五號整個任務流程，它一直處於“斷舍離”的狀態中：長征五號遙五發射入軌“器箭分離”，進入繞月軌道後軌道器/返回器組合體與着陸器/上升器組合體分離，完成月面採樣後上升器起飛與着陸器分離，實施月球軌道自動交會對接完成樣品轉移後，上升器/對接機構與軌道器/返回器組合體分離，進入月地轉移軌道後在距離地球數千公里處返回器與軌道器分離。
一個八噸多重的大傢伙最終只有返回器這個重量僅有300多公斤的小傢伙回到地球，而它就是我們勝利的見證。
“高速半彈道跳躍式再入返回技術”就是確保小傢伙能夠回到地球的“太空船票”，為了拿下這一技術我們早在六年前就專門發射了一顆驗證探測器“嫦娥五號T1”。
當年嫦娥五號T1由長征三號丙運載火箭發射至近地點219公里、遠地點41.3萬公里的地月轉移軌道，隨後在距離月球約6萬公里處實施月旁轉向，爾後進入月地轉移返回軌道，並在距離地球約5000公里處釋放返回器，在此次任務中我們全面掌握了具有國際領先水平的“太空打水漂”式再入返回技術。
那麼，何為“太空打水漂”？返回器渾身上下幾乎沒有可動舵面，它又如何精準操控呢？
嫦娥五號返回器與軌道艙分離後獨自高速飛向第一次再入點，它將以較小的再入角度再入大氣層，此時速度約為32馬赫，爾後經歷第一次黑障，出黑障後抵達距離地面約60公里高度基於升力作用再次反彈回宇宙空間，經過一段滑行後二次再入大氣層，這就是“太空打水漂（高速半彈道跳躍式再入返回）”。
太空打水漂相較於傳統半彈道式的再入行程會延長很多，整個再入行程預計在5100至7000公里，隨着距離的增加也不可避免地對落點精度產生影響，此時就需要精準的控制技術。
嫦娥五號返回器充分繼承嫦娥五號T1方案設計，採用的是球冠鐘形體構型，二者頂部都有兩片穩定翼，該裝置結合鐘形體構型可以確保返回器擁有唯一穩定配平點，有了這個唯一的“配平點”意味着返回器即便遭遇動力失效或者姿態失穩等故障，最終都能自動配平恢復至預設姿態，進而飛回着陸場。
看似簡單的穩定翼實際上設計難度非常大，需要通過大量的風洞吹風測試以及驗證試驗才能得出最優設計結果，聯盟系列飛船曾經用了整整十年才最終確定穩定翼氣動外形與安裝位置。
除了穩定翼，嫦娥五號返回器還配置有12台RCS姿控發動機輔助配平，姿控動力在不同高度層不同速域環境下的噴射效果也有不同，因此還需要加碼質心盒輔助配平。
返回器從設計之初就需要精密計算結構質量，再入過程中防熱材料的高温燒蝕會改變飛船質心，加上採樣樣品重量的不確定性對質心也有影響，此時就需要質心盒及時準確地調整控制質心，進而實現返回器的精確操控。
返回器精確操控還有一個大前提，就是初始入射軌道精度，當軌返組合體從遙遠的38萬公里外踏上歸途的第一步開始就已經影響着返回器的最終歸宿，為此測控團隊為它準備了一系列軌道精度保證措施。
在軌返組合體整個月地轉移飛行過程中，先是進行兩次月地轉移軌道入射，專門設計用小推力發動機長程工作確保探測器不出現大的振動，以利於入射軌道精度的保持，此後又進行了兩次軌道中途修正，這才有了嫦娥五號返回器實施太空打水漂的完美起跑線。
話説，為什麼嫦娥五號一定要用如此複雜的太空打水漂操作呢？答案只有一個，因為我們的夢想是星辰大海。
回顧歷史，阿波羅載人登月雖然也宣稱採用了高速半彈道跳躍式再入返回技術，但實際上返回艙跳躍最高點也沒能突破80公里，更不用説進入太空自由飛，其目的只是單純為了將半彈道式再入的17個g過載降低至7個g，唯有如此宇航員才能經受得住。
NASA由於遲遲無法突破真正意義上的高速半彈道跳躍式再入返回技術，以致於起源號、星塵號兩個探測器不得不以彈道式軌跡再入大氣層，產生的過載高達32g，巨大過載對探測器各系統工況穩定性提出了極為苛刻的要求，起源號就是因為重力開關裝置故障導致減速傘沒能及時打開，進而直接撞毀於地面。
連NASA都沒有的技術日本自然也是沒有，隼鳥號、隼鳥二號兩艘小行星探測器使用的也都是最傳統的彈道式再入方案，並不具備載人應用前景。
另一個應用高速半彈道跳躍式再入返回技術的是與阿波羅登月工程競爭旨在用於載人繞月任務Zond系列無人飛船，該飛船起跳高度太低跳躍高度又太高，安全性不能保障，隨着登月競賽落幕該系列飛船也被塵封在歷史的檔案中沒有了下文。
嫦娥五號返回器應用的高速半彈道跳躍式再入返回方案才是真正的未來技術，可以有效兼容解決力載荷與熱載荷問題，其再入最大過載不超過4.8g，僅比近地軌道運行的神舟飛船略高，遠小於阿波羅飛船7g過載，也就是説嫦娥五號雖然是無人採樣器，但核心數據直接對標載人要求。
月球、小行星、火星等地外天體再入返回地球的航天器通常都要經受3000攝氏度高温燒蝕，返回器大底前端氣流甚至可以加熱到1萬攝氏度以上，高速半彈道跳躍式返回可以有效緩解防熱壓力，減少防熱材料使用量，降低返回器結構重量，增大內部空間，其第一次小角度再入熱流燒蝕温度遠比直接再入低得多，二次再入時與近地軌道飛船無異。
嫦娥五號返回器根據實際熱流燒蝕情況採用全燒蝕防熱設計，內部為金屬結構外部膠結防熱材料，針對大底迎風面、大底背風面、大底拐角環、側壁迎風面、側壁背風面、側壁艙蓋與防熱環、穩定翼使用了7種不同密度的新研型號防熱材料，能夠有效抵禦第二宇宙速度條件下的熱流燒蝕。
返回器原本就有兩片穩定翼，為什麼着陸後就剩一片了？難道是工作人員拆除的？非也……
另外一片消失的穩定翼在發揮氣動功效的同時也是返回器傘包系統艙門，當返回器抵達海拔10公里左右預定開傘高度後，回收系統發出指令彈射傘艙蓋，拉出減速傘包。
爾後依次將減速傘與艙蓋傘拉直，直到減速傘與艙蓋傘分離，此時減速傘首先穩定返回器姿態，併發揮減速作用，再之後減速傘將主傘拉出，爾後主傘與減速傘分離，主傘承擔返回器減速工作，直至降落地面。
這又是嫦娥五號應用的一套世界領先技術：降落傘與返回器質量比降至2.4%，優於日本隼鳥二號3.2%，以及NASA星塵號4.4%，處於國際領先水平，六年前的嫦娥五T1在國際上首次揭示降落傘尺寸效應原理。
嫦娥五號返回器與神舟載人飛船返回艙乍一看上去十分相似，但內在早已不同，之所以繼承神舟返回艙構型主要是出於縮短任務研發週期，增強可靠性兩方面考慮。
鐘形體返回艙優勢前文已經提到是擁有“唯一穩定配平點”，但它也並非沒有缺點，其弱點是升阻比偏低，返回再入窗口較窄，這也是嫦娥五號軌返組合體在完成樣品轉移後停留數天繞月等待的原因之一。
與鐘形體返回艙截然不同的是倒錐體返回艙，後者優勢是有較高的升阻比，在採用高速半彈道跳躍式再入方案時有更強的機動飛行能力，因此可以收穫更多的月地返回窗口，NASA就要求旨在載人重返月球的獵户座載人飛船具備在太陰月中任意時間進行月地轉移入射。
六年前就在我們發射嫦娥五T1試驗器的同一年，大洋彼岸獵户座飛船指令艙也由德爾塔-4H型火箭發射入軌，任務代號EFT-1，旨在驗證接近第二宇宙速度再入熱流條件下的防熱材料抗燒蝕能力，這是一次不載人的發射任務，甚至連服務艙都沒有，最終在德爾塔-4H末級火箭助力下進入距離地球約5800公里的高軌軌道。
當時大洋彼岸面對這一消息那是相當激動，他們説，這是自阿波羅計劃結束後四十二年來，載人航天器飛到距離地球如此遠的太空，是歷史性的里程碑……
説得如此繪聲繪色的EFT-1獵户座返回艙仍然沒能驗證高速半彈道跳躍式再入返回技術，也就是説時至今日他們仍然不具備這一能力。
當時間進入今年不知道大洋彼岸將作何感想，因為繼承嫦娥五號高速半彈道跳躍式再入返回技術衣缽的新一代載人飛船試驗船已於今年5月5日發射升空。
進入太空後該飛船依靠自主動力在無需地面測控支持下自主變軌至距離地球超過7000公里的高軌軌道，以比獵户座EFT-1更高的速度再入大氣層，併成功驗證倒錐體構型條件下的高速半彈道跳躍式再入返回能力。
同樣是無人測試，我們的新飛船不僅配齊了服務艙，軌道高度也更高，而且新飛船研製前後歷時僅僅3年，處於同一等級的獵户座飛船發展至今則已超過十年。
得益於高升阻比、易配平等優勢倒錐體是當今世界載人飛船發展的新潮流，然而倒錐體也存在多個配平攻角難題，也就是説它不能像鐘形體返回艙那樣可以始終擁有唯一的配平點，不穩定性劣勢突出，這就需要增強RCS姿態控制能力，以及質心控制能力。
為此新一代載人飛船配置了世界最大推力的雙組元無毒無污染姿控發動機，最終我們看到新飛船不僅實現了無損着陸，甚至打出了10.8環的高精度落點成績，這意味着什麼？
倒錐體返回艙+服務艙+高速半彈道跳躍式再入返回+高精度落點=世界唯一！
更令人興奮的是，我們不僅硬件能力正在換擋升級，軟件建設也跟了上來。為滿足嫦娥五號任務需求，一張佈局全球建設的空天大網早已張開。
嫦娥五號着陸器與上升器組合體登月後只有48小時工作時間，在此期間要連續完成太陽翼展開、着陸器載荷開機、岩心鑽探機鑽取採樣、鑽取封裝、四自由度機械臂十幾次表取採樣、表取封裝、月面發射準備、月面發射一系列動作，如果沒有深空測控網的連續測控是無法辦到的。
最初我國只有內陸的喀什與佳木斯兩座深空站，地球24小時自轉一圈，其中近半數時間不在測控範圍內，這是無論如何也滿足不了48小時月面連續工作測控需求。
為此早在2014年，我們就選址阿根廷內烏肯省薩帕拉興建了35米口徑深空天線，這是一座集測控、數據傳輸、長基線干涉測量等多功能於一體的深空測控站，該站已於2017年建成投入使用，由此航天深空測控覆蓋率提高到了90%，能夠有效滿足嫦娥五號月面工作需求。
與此同時，為滿足嫦娥五號返回器高速半彈道跳躍式再入返回需求，我們在整個再入走廊建設了一連串接力式測控站點。
返回器首先將從大西洋上空實施軌返分離，那裏有我們的納米比亞測控站，該站配置有S/X頻段測控設備，在抵達120公里高度一次再入點前非洲肯尼亞還有我們部署的馬林迪測控站。
返回器一次再入時部署在索馬里以東海域的遠望三號測量船將利用船載雷達和光學設備監視其行蹤，併為能否成功起跳提供數據判讀支持，佈設在卡拉奇與青藏高原的寬波束引導與多波束引導設備將快速捕獲首次出黑障的返回器，緊接着還有相控陣雷達參與測量返回器二次再入，然後是飛行末段的一系列測控站點的接力測控。
如果只是為了完成嫦娥五號任務會如此大動干戈嗎？顯然不是。
接下來幾年，天宮空間站、天問一號軌道器與巡視器等一系列常態化運營項目將全面鋪開，從近地軌道到多顆地外天體同步開弓，空間探測將覆蓋極為廣袤的深空，這還不包括日常在軌運營的世界第二大規模在軌航天器。
後續我們還有嫦娥七號月球極區立體探測、嫦娥六號月球極區採樣返回、嫦娥八號驗證月面科研站，天問系列任務還有小行星採樣返回、主帶彗星探測、火星採樣返回、木星探測、太陽系邊際探測，更重要的是嫦娥五號將拉開載人月球探測工程大幕，這又是一個巨大的增量空間。
春江水暖鴨先知，不得不説歐洲還是有些眼光的。在此次嫦娥五號任務中歐空局分別動用馬斯帕洛斯、庫魯兩座測控站為地月轉移與再入大氣層提供測控幫助，此前嫦娥四號任務中的低頻射電探測儀、月表中子與輻射劑量探測儀、中性原子探測儀都有歐空局成員的合作身影。
載人航天領域雙方也在就進駐天宮空間站展開合作，曾於2016年、2017年互派航天員進行聯合訓練，而今我們正在發起國際月面科研站建設倡議，相信他們也不會掉隊。
2020年被譽為我們的超級航天年，在這一年當中人類史上最大規模火星探測器天問一號成功發射、某型帶翼航天器成功首飛、旨在服務載人月球工程的新一代載人飛船試驗船成功首飛、長征五號系列大型運載火箭日趨成熟，最終以嫦娥五號完成史詩級月球探測任務終結人類44年沒有更新月壤樣本為句號，而放眼更加長遠的未來上述這些也只是萬里長征的第一步。