回家：重返地球的科技之路
■解放軍報記者 張新
特約記者 張未 宋星光
離別10多天，嫦娥五號踏上了回家之旅！
嫦娥“遊子”歸心似箭，祖國母親期許滿滿。38萬公里漫漫回家路，嫦娥五號每走一步，都讓國人無限牽掛。
月光照亮了“嫦娥”回家的路，也照亮了中國探月夢想的天梯。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹説，此次嫦娥五號探月返回任務，已創造和將實現5個“中國首次”：一是地外天體的採樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲、分析和研究。
如果一切順利，嫦娥五號將把約2000克的月壤樣品“打包”帶回地球。
不要小看這個數字，約2000克的目標決定了中國探月的分量，折射出一個國家航天實力的高度。
“嫦娥”探月的背後，是一項項技術難點的集智突破、一項項創新成果的破殼而生。這些科技成果架起了通往月球的天梯，讓中國人走出了一條屬於自己的探月之路。
隨着嫦娥五號探月任務進入尾聲，中國探月工程“三步走”戰略目標即將完成，中國人探索太空的腳步會邁得更大、更遠。
12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功着陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選着陸區，並傳回着陸影像圖。
挑戰一
月面起飛
“摘片月亮”難度大，捎上“特產”要平穩
在順利完成月球採樣後，嫦娥五號上升器月面點火，輕盈地奔向等待它的太空“母港”——嫦娥五號軌道器和返回器組合體。
自此，嫦娥五號正式踏上回家之旅。
從月球出發，把約2000克月壤樣品“打包”帶回，是這次探月的核心任務。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38萬公里，每一步都充滿風險與挑戰。
嫦娥五號上升器跨出的第一步——從月面點火起飛，就是一個高難度科目，這是嫦娥五號的亮點，也是任務的難點。
若飛行器在地球上發射，有專門的發射塔架，點火起飛位置經過精確測算，飛行軌道也是一遍遍計算好的。而月面起飛就不一樣了——沒有成熟完備的發射塔架，上升器只能站在着陸器身上發射。
嫦娥五號上升器從月面起飛，不確定性非常大，可視為一次從月球發射航天器的無人試驗。能否成功起飛關係到後面交會對接能否順利實現，這一環節是交會對接的起點，需要上升器精確瞄準交會對接的軌道器和返回器組合體。
正如嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢所言：“這個位置可能會存在一定的偏差，不像在地球表面可以精確到米，在月球上現在的指標可能就是百米量級，這些誤差都會影響到入軌的精度。”
經過一系列技術攻關，嫦娥五號科研團隊開展了一系列試驗驗證，建立了一整套環環相扣的系統，實現了嫦娥五號上升器起飛時自主定位、定姿，護送上升器離開月球。
所幸，中國航天人付出的一切努力，換來了嫦娥五號上升器的順利飛天。
挑戰二
交會對接
“太空郵差”來幫忙，空中接力送“快遞”
從月面起飛後，嫦娥五號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對接，把樣品交給返回器，讓它完成接下來的旅程。
20世紀70年代，蘇聯成功實施了3次無人月球採樣任務，先後發射“月球16號”“月球20號”和“月球24號”探測器，從月球共帶回300多克月壤樣品。當時，蘇聯採用了探測器從月面起飛直接返回地球的方案，這種方案導致探測器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力卻極為有限。
經過幾十年的實踐探索，我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術。但在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接，還是人類探月史上的第一次。
此前，嫦娥五號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。兩個航天器在月球軌道進行無人交會對接，“針尖”對“針尖”，對接相當精準，堪稱中國探月的“神來之筆”。
看似“神來之筆”，背後的技術卻異常複雜、難度係數非常高，稍有不慎就會讓軌道器這個“太空郵差”白跑一趟。
過去，天宮一號目標飛行器採用的是“異體同構周邊”式對接機構。然而，嫦娥五號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，嫦娥五號月球軌道交會對接採用了抱爪式對接機構。
通俗地講，抱爪就像手握棍子的動作——兩個方向一用力，把棍子牢牢握在手中。探測器的對接機構由3套抱爪構成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩個航天器的緊密連接。這種全新對接機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。
此次，由航天科工集團二院研製的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為中遠距離測量的“助手”，成功引導完成了嫦娥五號的交會對接任務。
“與近地軌道相比，月球軌道環境更復雜，交會對接對微波雷達的測角精度要求更高。微波雷達主要作用在100公里到20米的中遠程範圍，精度的提高大幅提升了精準對接的勝算。”交會對接微波雷達總工程師孫武説。
此外，裝有對接用應答機的上升器在落月時難免形成揚塵，這些肉眼不可見的干擾將會嚴重影響測角精度。
為確保安全度過月球之旅，設計師們在應答機上安裝了特殊材料製成的防塵罩，“就像戴上了護目鏡，嫦娥的‘千里眼’就不會變成近視眼。”孫武説。
當上升器與軌道器和返回器組合體對接完成後，上升器將裝有月壤樣品的容器轉移到返回器中。月球軌道完成無人樣品轉移，在人類的航天曆史上還是首次。連桿棘爪式轉移機構設計得足夠巧妙，彭兢作了一個比喻：“這個構型很像紮帶，相連後單方向傳遞，只能前進不能後退。”
38萬公里外，捕獲、收攏、轉移，高速運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魄——相比地球軌道，月球軌道有時延，時間走廊較小、時效性要求高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。
當返回器“吞入”樣品、關上蓋子，軌道器和返回器組合體與上升器分離，在預定時機加速進入月地轉移軌道，踏上回家的路。
在太空飛行時，嫦娥五號猶如變形金剛，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，中國航天人將“太空郵差”打造成“無敵小能手”。受探測器整體重量約束，“太空郵差”在具備強大承載能力的同時，還能“身輕如燕”。
挑戰三
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，此次任務返回器進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”，返回器會在大氣層中燒蝕殆盡。
然而，返回器減速可不像開車踩剎車那麼簡單。嫦娥五號返回任務，我國採用了半彈道跳躍方式，就像在大氣層表面“打水漂”——讓返回器先高速進入大氣層，隨後藉助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。
這是生死一“跳”。如果“跳”成功，返回器速度會降到第一宇宙速度，後面的過程就輕車熟路了。
值得一提的是，6年前，我國成功發射探月工程三期再入返回飛行試驗器，模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程，並對半彈道跳躍方式進行了成功驗證，使我國成為繼美、蘇之後，世界第3個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。
即使採用半彈道跳躍方式返回，返回器再入大氣層仍然會面臨熱控方面的挑戰。返回器再入速度大、時間長，表面温度最高可達2000多攝氏度，如果傳導到內部，將對攜帶的月壤樣品產生影響。
為此，中國航天人採取了一系列措施來保證嫦娥五號返回器平安回家——
巧妙設計返回器外形。返回器就像一個窩頭，側面挖一個洞，洞裏面就是推力器。在大氣層飛行時，返回器不僅會受到阻力，也會產生一定升力。靠着這一點點升力，返回器就能成功實現半彈道跳躍方式返回。
為返回器披上“防熱服”。返回器採用蜂窩結構防熱層，裏面填充了新型耐燒蝕材料。在氣動加熱導致温度升高時，這種新型材料能讓返回器與熱流有效隔絕。
自主飛行過“黑障”。返回器兩次高速進入大氣層都會產生“黑障”現象。高速摩擦會使返回器表面氣化，產生等離子鞘套，屏蔽了返回器與地面的聯繫。雖然“黑障”過程中天地通信中斷，但並不意味着返回器會失控，一些重要指令在進入“黑障”前已經寫入返回器，返回器可以按照預設內容來執行指令。
回收開傘成功率更高。在距地面10多公里處，返回器需要藉助降落傘進行回收着陸。中國航天人為它量身打造了輕小型化回收系統，通過優化降落傘的結構設計、採用先進材料和製造技術，實現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、脱傘等環節上都設計了備用方案，以實現“雙保險”。多管齊下，確保第一時間回收返回器。
不知不覺，嫦娥五號已經與我們分別了10多天。
短暫的離別，是為了更好的相聚。在接下來的日子裏，我們期待嫦娥五號能夠順利完成任務。
嫦娥五號，等你回來！
嫦娥五號採樣返回示意圖
責編：任鑫恚
【來源：解放軍報】
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