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嫦娥五號(hào)探路先鋒發(fā)射成功，將打水漂式返回地球。（資料圖）

按計(jì)劃將于24日凌晨從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空的“再入返回飛行試驗(yàn)器”，是中國(guó)探月工程三期任務(wù)中最關(guān)鍵也是最困難的一次試驗(yàn)。在發(fā)射之后，它將創(chuàng)造中國(guó)在太空中的多個(gè)首次，尤其是“太空打水漂”式的著陸方式讓外界格外矚目。為何這次技術(shù)試驗(yàn)如此引人關(guān)注？它對(duì)中國(guó)探月工程的意義到底有多大？為何要采用創(chuàng)新型著陸方式？多名中國(guó)航天技術(shù)專家向《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者解釋了這次試驗(yàn)背后的種種機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

探月三期面臨四大難題

要了解這次試驗(yàn)的意義，首先得從它的性質(zhì)說起。探月工程三期副總設(shè)計(jì)師郝希凡介紹說，與前幾次嫦娥探測(cè)器的發(fā)射不同，這次進(jìn)行的是一次技術(shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)，通過飛行器的真實(shí)飛行，獲取飛行器高速再入返回地球的相關(guān)軌道設(shè)計(jì)、氣動(dòng)、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。飛行試驗(yàn)器發(fā)射升空后將經(jīng)歷星箭分離、地月轉(zhuǎn)移、月球近旁轉(zhuǎn)向、月地轉(zhuǎn)移、返回地球附近、再入返回地球等6大關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)技術(shù)難度和創(chuàng)新性極高。

嫦娥三號(hào)任務(wù)成功后，中國(guó)探月工程全面進(jìn)入“繞、落、回”的第三期，即“從月球采樣返回”。 郝希凡說，通俗地講，就是發(fā)射探測(cè)器在月球上挖一勺土，然后帶回地球。然而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我們面臨著四大技術(shù)難題：首先是如何在月球上挖土取樣;接下來(lái)登陸器怎么從月球表面起飛返回月球軌道;然后如何在月球軌道實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接;最后探測(cè)器還要以接近第二宇宙速度的極高速度返回地球大氣層著陸。郝希凡說，這些技術(shù)難題都是我們之前從未遇到過的，其中最后一步堪稱整個(gè)探月工程三期里最難的技術(shù)。

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司飛行試驗(yàn)器副總設(shè)計(jì)師張伍透露，飛行試驗(yàn)器由返回器和服務(wù)艙兩部分組成。服務(wù)艙與嫦娥2號(hào)的外形很像，返回器則與神舟飛船神似，但體積只有神舟飛船的1/8。他表示，試驗(yàn)飛行器的軌道采用“8”字形的地月自由返回軌道，這種特殊設(shè)計(jì)巧妙地利用地球和月球引力，讓探測(cè)器飛抵月球附近后繞半圈自動(dòng)向地球飛來(lái)，可為未來(lái)嫦娥5號(hào)的月地飛行軌道規(guī)劃提供很大幫助。不過航天科技集團(tuán)五院專家戴居峰介紹說，由于月球的引力場(chǎng)分布不均勻，因此利用月球引力規(guī)劃探測(cè)器的軌道并不容易，整個(gè)過程需要經(jīng)過多次調(diào)整。

被高速“逼”出來(lái)的“太空打水漂”

為何這次試驗(yàn)器返回時(shí)的速度成為探月路上“攔路虎”？張伍解釋說，普通衛(wèi)星只是圍繞地球旋轉(zhuǎn)，速度達(dá)到第一宇宙速度(約為每秒7.9公里)即可;在前幾次探月飛行時(shí)，探測(cè)器也只是從地球到月球軌道，速度會(huì)越來(lái)越慢;而這次試驗(yàn)飛行器還包括了從月球返回地球軌道的過程，速度越來(lái)越快，再入返回大氣層時(shí)的速度已接近第二宇宙速度(每秒11.2公里)。

這個(gè)極高的再入大氣層速度，帶來(lái)一系列前所未有的特殊挑戰(zhàn)。郝希凡說，返回器從100多公里高度進(jìn)入大氣層時(shí)，這個(gè)高度的大氣非常稀薄，已經(jīng)不是連續(xù)的氣流，而是分子氣層，會(huì)產(chǎn)生一系列特殊的氣體效應(yīng)。此外在大氣層中超高速飛行會(huì)對(duì)返回器產(chǎn)生燒蝕，其程度也比以往要高得多。因此現(xiàn)有的載人飛船和返回式衛(wèi)星的著陸模式都無(wú)法滿足需求。張伍說，我們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)了特殊的著陸軌跡：返回器進(jìn)入大氣層后，通過飛行控制提升高度，在太空中滑行一段距離后再次進(jìn)入大氣層，然后在內(nèi)蒙古中部地區(qū)著陸。這種降落模式的官方說法為“半彈道跳躍式飛行”，因?yàn)樗脑砗瓦^程就像兒時(shí)玩的打水漂，因此又被形象地稱為“太空打水漂”。

郝希凡介紹說，“半彈道跳躍式飛行”增加了在大氣層的“一出一入”，可以消耗掉返回器的部分能量，從而減小著陸速度，拉長(zhǎng)航程，有利于選擇降落區(qū)。據(jù)介紹，蘇聯(lián)和美國(guó)探月時(shí)也曾利用過類似原理著陸，但他們的航程沒我們長(zhǎng)，而著陸場(chǎng)比我們大。由于當(dāng)今中國(guó)的人口密度大，適合充當(dāng)降落區(qū)的地方有限，這對(duì)返回器的降落精度也提出更高要求。

“回家之路”仍有不少難題

即便采用“半彈道跳躍式飛行”的特殊降落軌跡，返回器“回家之路”仍有很多未知難題。郝希凡承認(rèn)，再入返回試驗(yàn)的基礎(chǔ)是大量的地面設(shè)計(jì)、研究和試驗(yàn)工作。但是地面畢竟是模擬條件，模擬條件沒有那么充分：比如地面要想模擬每秒11公里左右的飛行速度非常難;要模擬高層大氣的真空度和化學(xué)反應(yīng)也很難。因此，在地面只能分別分項(xiàng)做試驗(yàn)，而且逼真度不夠。要檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否正確，需要進(jìn)行一次更為逼真的試驗(yàn)，也就是即將開始的“再入返回飛行試驗(yàn)”。郝希凡說，希望通過這次試驗(yàn)，能完整地驗(yàn)證我們的認(rèn)識(shí)、我們的試驗(yàn)、我們的研制工作是否正確。他形容說，這就是“把試驗(yàn)場(chǎng)從地面搬到天上”。

張伍說，由于返回器返回地球時(shí)速度會(huì)越來(lái)越快，不但進(jìn)入大氣層時(shí)的姿態(tài)需要精確調(diào)整，而且對(duì)再入角控制的精度要求也非常高。如果角度小了，返回器就落不到原先指定的降落區(qū)，如果角度大了，就直接落入大氣層飛不起來(lái)。張伍介紹說，由于返回器降落時(shí)的速度非?？欤豢赡芤揽康孛孢b控指揮，為此還專門開發(fā)了半彈道跳躍式飛行的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(GNC)技術(shù)，讓返回器能自主控制，“這是再入飛行的關(guān)鍵”。他強(qiáng)調(diào)說，返回器在降落過程中的微小變動(dòng)都可能帶來(lái)影響。例如在第一次進(jìn)入大氣層時(shí)，返回器表面會(huì)因?yàn)楦邷責(zé)g使其外形和重量發(fā)生改變，因此在第二次進(jìn)入大氣層時(shí)，返回器就必須考慮到這些因素進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

返回器的防熱設(shè)計(jì)也是這次試驗(yàn)的重要科目。郝希凡透露，為應(yīng)對(duì)與大氣層超高速摩擦帶來(lái)的高溫問題，中國(guó)航天專家們已開發(fā)了多項(xiàng)熱防護(hù)技術(shù)。此外，返回器的特殊需求也為熱防護(hù)技術(shù)帶來(lái)難題。例如在太空時(shí)，返回器內(nèi)部的電子設(shè)備工作會(huì)產(chǎn)生大量廢熱，需要被及時(shí)排出;而再入大氣層時(shí)正好相反，返回器外壁與空氣摩擦產(chǎn)生的上千度高溫需要隔絕。據(jù)悉，這些難題均已通過新型防熱材料和結(jié)構(gòu)克服。（馬?。?/p>