12月17日凌晨，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品，採用半彈道跳躍方式再入返回，在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸。 新華社記者 連振攝
北京時間12月17日1時59分，探月工程嫦娥五號返回器攜帶月球樣品，在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸，標誌著我國首次地外天體採樣返回任務圓滿完成。
凌晨1時許，北京航天飛行控制中心通過地面測控站向嫦娥五號軌道器和返回器組合體注入高精度導航參數。此後，軌道器與返回器在距南大西洋海平面高約5000公裡處正常解鎖分離，軌道器按計劃完成規避機動。
凌晨1時33分，嫦娥五號返回器在距地面高度約120公裡處，以接近第二宇宙速度（約為11.2千米/秒）高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度後，返回器向上躍出大氣層，到達最高點後開始滑行下降。之後，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。在降至距地面約10公裡高度時，返回器打開降落傘完成最後減速並保持姿態穩定，隨後在預定區域平穩著陸。負責搜索回收任務的測控與回收系統技術人員及時發現目標，有序開展回收工作。
按計劃，回收後的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作後，將空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機舉行交接儀式，正式向地面應用系統移交月球樣品，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也將隨之啟動。
嫦娥五號探測器於11月24日在中國文昌航天發射場發射升空並進入地月轉移軌道。探測器實施2次軌道修正、2次近月制動，順利進入環月圓軌道。此後，探測器經歷組合體分離、環月降軌及動力下降，著陸器和上升器組合體於12月1日在月球正面預選區域著陸並開展採樣工作。12月3日，上升器點火起飛、精準入軌，於6日完成與軌道器和返回器組合體之間的交會對接及樣品轉移，此後按計劃分離並受控落月。12月12日至16日，軌道器和返回器組合體在完成2次月地轉移入射、2次軌道修正後，返回器於12月17日與軌道器分離並重返地球。
國家航天局專家表示，嫦娥五號探測器在一次任務中，連續實現我國航天史上首次月面採樣、月面起飛、月球軌道交會對接、帶樣返回等多個重大突破，為我國探月工程“繞、落、回”三步走發展規劃畫上了圓滿句號。同時，嫦娥五號任務作為我國複雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，成功實現了多方面技術創新、突破了一系列關鍵技術，對於我國提升航天技術水平、完善探月工程體系、開展月球科學研究、組織後續月球及星際探測任務，具有承前啟後、裡程碑式的重要意義。
12月17日，工作人員在北京航天飛行控制中心嫦娥五號任務飛控現場慶祝。新華社記者 嶽月偉攝
護駕
天鏈二號01星保障信息傳輸
記者從北京空間信息傳輸中心瞭解到，在著陸場搜救任務中，天鏈二號01星全力“護駕”，建立起搜救空中分隊通信直升機與北京航天飛行控制中心的信息傳輸鏈路，實現了圖像、話音、調度等業務數據的實時傳輸，為搜救任務圓滿成功奠定了堅實基礎。
“天鏈二號01星”於2019年3月發射，是我國第二代數據中繼衛星系統的第一顆衛星，可以為載人航天器、衛星、運載火箭等用戶提供出色的數據中繼、測控和傳輸等服務。在此次任務前，北京空間信息傳輸中心根據著陸場指揮部安排，通過手動輸入嫦娥五號理論著陸座標點進行相關狀態配置，配合進行了多次著陸場任務演練，並提前加載任務操作計劃，設置初始指向經緯度等相關參數。
“在搜救人員登機之前，我們的通信操作崗位工作人員已經根據調度指揮口令開啟了直升機調度措施，在搜救任務過程中，工作人員要監視各種信息傳輸鏈路的保持情況，仔細觀察光學吊艙圖像的傳輸情況。”任務總體工程師秦銘晨說，崗位人員認真細緻，根據直升機的實時位置，及時判斷是否需要調整天線指向，確保了搜救信息傳輸暢通。
“23天前，我們也是在這個大廳通過天鏈衛星為長徵五號遙五運載火箭提供了天基測控服務，順利將‘嫦娥’送出去。今天，我們也圓滿地將她迎了回來。”此次任務的調度指揮高泉在工作現場說。
突破
太空“郵差”成就嫦五探月之旅
風塵僕僕趕到地球上空後，嫦娥五號探測器軌道器、返回器分離。返回器帶著月壤進入大氣層，飛向著陸場。此時，嫦娥五號任務完成在即。回過頭看，貫穿任務全過程的一個核心器件就是由中國航天科技集團八院研製的軌道器。它是最忠實的太空“郵差”——在相距38萬公裡的地球和月球之間，構建起一條太空“物流”的特殊通道，既承擔地月往返運輸的任務，將“乘客”安全地送往目的地，同時又要在太空中穩妥地完成貨品的“接收”“裝箱”，將珍貴的月壤投送回地球。
“在整個任務過程中，軌道器在軌共有5次分離，6種組合體狀態，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，是目前最複雜的空間飛行器之一。”中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹。針對整個任務飛行狀態多、器間接口多、工作模式多、技術攻關難、地面驗證難等特點，研製團隊突破了4項關鍵技術。
一、多點高強度分離螺母實現高可靠連接分離
嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個部分組合而成，多器分工合作的狀態造就了探測器在太空中不斷“分離-組合-再分離-再組合”的變形過程，這在我國的航天器中絕無僅有。而軌道器就擁有5個分離面，既要保證組合狀態下器與器連得穩固，同時又要確保分離過程的安全可靠，這是探測器研製的一大難點。
軌道器摒棄了傳統的艙段間包帶連接方式，創新採用多點高強度分離螺母進行連接，通過在各分離面配置不同數量的分離螺母，滿足艙段間連接強度與剛度要求。同時雙動作分離螺母包含兩套解鎖機構，其中任意一套動作就能確保分離面每一個分離點的可靠分離。連接穩固、分離可靠的連接解鎖與分離關鍵技術，成就了嫦娥五號的探月之旅。
二、抱爪、棘爪機構設計確保對接精度達到毫米級
嫦娥五號探測器在離地球38萬公裡外實施我國首次月球軌道自動無人交會對接與樣品轉移，對接機構中的運動位置精度和對中性是影響樣品容器轉移的關鍵，對接精度要求達到毫米級。
為了解決這一難題，八院科研人員創造性地研製出了抱爪式對接機構，配合採用棘爪式轉移機構，在自動無人交會對接的同時實現樣品容器的自動轉移，這一世界首創的技術，確保了嫦娥探月採樣任務的完成。
在此基礎上，研製團隊還構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗檯四大世界一流的地面測試系統，充分驗證對接與樣品轉移機構地面試驗的有效性。
三、結構輕承載重實現“雞蛋殼上掛秤砣”
為了做到身材比例的完美，軌道器首次使用大承載複雜構型輕量化結構、多次分離複雜構型、多冗餘路徑複合傳力結構、大承載複合材料一體成型插層變厚度承力球冠技術等七項創新技術，結構質量比達到9.6%，真正做到了效能最優。僅僅46公斤的承力球冠能夠承載3噸的貯箱，具備30噸的極限承載能力，真正做到了“雞蛋殼上掛秤砣”。
通過積極創新設計，軌道器內有“錚錚鐵骨”，外有“完美身材”，擎得起飛天夢想，穩得住每個動作，成就了嫦娥五號探月之旅。
四、分區域管理，使軟件跑得穩、信號傳得好
軌道器採用分艙段設計，各艙段都有對應的配電管理、熱控管理、信息管理需求，如果按照傳統的模式進行整器電氣設計，需要大量的跨艙段電纜進行信息交互，對軌道器的重量設計、分離面設計、電纜網設計以及整器總裝造成負擔。為此，研製團隊創新提出了分區域管理的分佈式綜合電子單機設計思路，通過區域劃分和整體佈局，最大可能地減少穿艙電纜與艙段內硬線連接。同時，團隊還創新提出整器電氣管理的區域化、標準化、模塊化設計思路，通過制定一系列標準規範，使綜合電子系統做到從內到外整齊標準，靈活組裝易於拓展，跑得穩軟件，傳得好信號，點得起火工品，控得住機構。目前這種分佈式綜合電子技術已在多種飛行器上推廣應用。
揭秘
返回器如何回家？
●太空“打水漂”實現減速
嫦娥五號探測器的返回器回到地球，是在太空中打了“水漂”後回來的。
中國的這個“太空水漂”，術語叫“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進入大氣層一定“深度”並滑行一定距離後，調整返回器姿態，使其再次升高，隨著返回器的升高，其速度會進一步降低，在降到第一宇宙速度以下時返回器便不再滿足成為一顆地球衛星的基本條件，再次開始下落，然後以類似神舟飛船的返回過程返回地球，後面的“回家”方式就輕車熟路了。
為什麼要採用這種“打水漂”的形式回家呢？返回器從月球歸來的速度是高達每秒11.2公裡的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒7.9公裡的第一宇宙速度。可別小看了這每秒3公裡多的差距，航天器如果以過高的速度進入大氣層，摩擦產生的劇烈高溫將帶來極大風險，因此必須解決“減速”問題。中國航天科技集團五院總體設計部的軌道設計師們，決定藉助地球大氣層這個航天器再入返回的天然屏障，讓返回器在太空中瀟灑地“打個水漂”。
“返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣，在15分鐘內完成。”嫦娥五號探測器總體主任設計師孟佔峰說。這短短15分鐘的旅行，凝結了設計師們無數的心血，一次次分析、一次次計算、一次次論證、一次次試驗……最終成就了太空中精彩的跳躍，為探測器安全順利返回打牢了基礎。
當然，高科技加持的“太空水漂”與我們兒時在池塘邊玩耍的“打水漂”還是不同的，小時候玩的薄石片一旦投擲出去便不再可控，但返回器的“太空水漂”全過程都是可控的。五院502所為嫦娥五號配備了制導導航與控制（GNC）系統，返回器中的計算機會根據當前的位置和速度信息，結合落點位置進行制導處理，自動規劃出一條從返回器當前位置到打開降落傘地點的最佳飛行路徑，然後通過向安裝在返回器外的發動機發送噴氣控制指令，調整返回器姿勢，使返回器沿著規劃軌跡飛行，最終使返回器“條條大路通落區”。
●穿“貼心防熱衣”降溫
返回器回家途中的另一個“攔路虎”就是高溫。
見過神舟飛船返回艙的人一定對它烏黑的外表印象深刻。這是返回艙從近地軌道返回地球時，與大氣層劇烈摩擦產生的高溫燒灼而成的。“再入的速度提高一倍，再入熱量將提高8至9倍”。中國航天科技集團五院總體設計部的嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝說，如此高的溫度一旦進入返回器內部，後果將不堪設想。
如何防熱、怎麼對抗燒蝕，成為必須攻克的難關。因為運載承載能力的約束，返回器的質量受到嚴格限制。科研人員在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料，還需要對返回器結構本身採用輕量化的設計。
為此，總體設計部防熱結構設計團隊為探測器巧妙設計了一件“貼心防熱衣”。首先，針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求，提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成了防熱材料的佈局和局部防熱結構設計，實現了我國由近地軌道再入到深空軌道的防熱結構設計跨越；其次，科研人員提出了三維傳熱燒蝕分析方法，採用整體變厚度、變密度，分區域、偏軸設計方案，突破了輕量化設計關鍵技術，並利用一維燒蝕分析和三維溫度場分析相結合的數值分析方法，實現了用全面的局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗，為試驗任務的成功奠定了基礎。
從防熱結構設計、防熱材料成型工藝研究、焊接工藝研究，到工程樣機、結構器、熱控器、專項試驗驗證器、正樣器……嫦娥五號探測器的防熱“霓裳羽衣”精心“縫製”而成，成為其安全順利返回地球家園的保證。
來源 北京日報
記者 張航
通訊員 葉雨恬 龐丹 王然 王玓瑭
流程編輯 吳越
轉載請超鏈接註明：頭條資訊 » 嫦娥五號“挖土”歸來！揭秘：返回器為何用“打水漂”的形式回家
免責聲明
：非本網註明原創的信息，皆為程序自動獲取互聯網，目的在於傳遞更多信息，並不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責；如此頁面有侵犯到您的權益，請給站長發送郵件，並提供相關證明(版權證明、身份證正反面、侵權鏈接)，站長將在收到郵件24小時內刪除。