12月17日，帶著月球“特產”——月壤樣品的嫦娥五號返回器穩穩著陸在內蒙古四子王旗，我國首次月面自動採樣返回任務取得圓滿成功。這是人類探月曆史60年來由中國人書寫的又一壯舉，標誌著我國探月工程“繞、落、回”三步走收官之戰取得全勝。
此前，中國已經成功發射了嫦娥一號、二號、三號和四號等月球探測器，各自歸宿因為任務要求或飛向遙遠深空或“永遠棲身”月球，不再回到地球母親的懷抱。與幾位“姐姐”遠嫁相比，嫦娥五號則拿到了地球和月球旅行的“往返票”，但回家之路並不是一片坦途，許多挑戰和風險需要克服，尤其是如何“打敗”兩隻“攔路虎”決定了任務的成敗。
嫦娥五號返回器高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫，熱量急劇提升也為航天器返回帶來巨大挑戰。本文圖片來源：航天科技集團五院、新華社、央視截圖
嫦娥五號“打水漂”回地球
此前，中國發射了20餘顆返回式衛星，回收了11艘神舟系列飛船和新一代載人飛船。相較於地球軌道，如神舟飛船約第一宇宙速度（注：每秒7.9公裡）的返回，從月球到地球的返回最大的區別就是速度，嫦娥五號是攜帶月壤以接近第二宇宙速度（注：每秒11.2公裡），即約30多倍音速的高速返回地球。
可別小看了這每秒3公裡的差距。因為，就好像扔石頭，同樣一塊石頭，從一層樓扔下來的速度和從十幾層樓仍下來速度是不一樣的。同理，航天器從數百公裡高的近地軌道返回和從38萬公裡遠的月球返回速度差距更大。此外，高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫，熱量急劇提升也為航天器返回帶來巨大挑戰。要想讓返回器安全順利返回地球首要解決的兩大重要難題就是速度和溫度，這兩隻“攔路虎”是決定整個任務成敗的關鍵因素。
首先要解決的是速度問題。究竟如何才能成功減速？這是一個世界級的難題。在反覆學習、研究美蘇經驗的基礎上，根據我國航天器實際情況，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，通過空氣摩擦產生的阻力實現減速目的，並提出了一個大膽的方案——半彈道跳躍式再入返回。“就像在太空中打水漂，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，然後再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣，將在15分鐘內完成。”來自總體設計部的嫦娥五號探測器總體主任設計師孟佔峰介紹說。
截至目前，世界上只有美國、蘇聯的航天器以及我國嫦五T開展過繞月再入返回試驗。資料顯示，國外的再入航天器共有三類：彈道式再入航天器、彈道-升力式再入航天器和升力式再入航天器。“此次嫦娥五號選擇是一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入，具有中國特色，‘打水漂’就是為了讓返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中消耗足夠多的能量，從而把速度降下來。”五院專家解釋道。
嫦娥五號選擇是一種全新的再入方式——半彈道跳躍式再入，具有中國特色。
氣動設計中的創新智慧
作為返回器熱防護、GNC以及回收等分系統設計與仿真的重要輸入，氣動技術研究工作的全面性和正確性也是返回器能否成功實施跳躍式高速再入返回的關鍵。那麼嫦娥五號探測器的氣動技術與以往航天器相比又有何特點？
此次任務採用近第二宇宙速度跳躍式再入返回，與返回衛星、神舟飛船等採用的第一宇宙速度近地返回相比，氣動問題更加複雜，再入熱環境條件更為嚴酷，對氣動數據的精準度要求更為苛刻。
總體設計部的青年設計師李齊介紹說，“首先，高速再入導致複雜流動效應影響增大，各種複雜流動效應將對返回器氣動力、熱特性產生巨大影響；其次，由於跳躍式再入，燒蝕、燃料消耗等各種因素使得二次再入地球大氣的外形適應不確定性增加；再有一點，由於輕小型化要求，探月三期返回器尺寸比國內外任何一種半彈道式再入飛行器都要小很多，尺寸的減小和質量的降低可能導致返回器飛行穩定性下降，對氣動特性預估準確度等方面也提出了更高的要求。”
此外，此次任務的返回器熱環境比返回式衛星和神舟飛船返回艙要惡劣很多，由於高溫效應，必須要考慮高溫輻射加熱影響，而這是返回式衛星和神舟飛船返回艙分析再入熱環境時不需要考慮的。種種考驗接踵而至，要解決這些問題，氣動技術攻關勢在必行。
要想突破半彈道跳躍式高速再入返回技術，氣動設計、分析與驗證必須解決外形、質心和數據三大需求。為此，設計團隊開展了有針對性的技術攻關與試驗驗證，並攜手多個國內專業氣動單位，開展了三十餘項研究工作，計算/試驗狀態超過20000 個，逐步確定了返回器氣動外形、配平質心盒、氣動標稱數據庫及其偏差範圍，為相關分系統設計、仿真和試驗提供了可靠的數據輸入。
最終，總體設計部氣動設計團隊完成了輕小型半彈道跳躍式深空高速再入返回器的氣動外形設計和氣動特性研究，提出了適用於輕小型跳躍式高速再入返回器的氣動外形設計方法和基於時變估計偏差的配平質心盒設計方法，提出了適用於高速再入返回器的氣動力偏差計算方法，完成了適用於第二宇宙速度再入的高空跨流域氣動特性計算方法研究等，突破了多項關鍵技術，填補了多項國內空白，並在探月三期再入返回飛行試驗器任務中得到了有效驗證，為嫦娥五號任務成功奠定了基礎。
減速傘完成任務後，主傘會打開，進一步降低著陸速度。
巧妙設計“貼心防熱衣”
探測器返回途中的另一個攔路虎就是溫度。
見過神舟飛船返回艙的人一定對那身烏黑的外表印象深刻。之所以全身烏黑，是因為返回艙從近地軌道返回地球時被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8-9倍”。總體設計部嫦娥五號探測器結構分系統主任設計師董彥芝指出。如此高的溫度，一旦進入返回器的內部，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。而且，因運載承載能力的約束對返回器的質量提出了嚴格限制，在設計過程中不僅需要新型低密度防熱材料，而且還需要返回器結構本身採用輕量化的設計。
返回器成功著陸。
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再入的防熱結構設計的跨越。其次，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，成為安全順利返回地球家園的保證。
多項技術的運用，讓返回器成功返回地球。
知冷知熱自在飛
在嫦娥五號探測器眾多關鍵技術中有一項令人拍案讚歎的技術，讓返回器在遙遠的旅程中成功抵抗溫差高達幾百度的宇宙環境和燒蝕環境，這就是總體設計部熱控設計師們攻克的異構式環路熱管熱控技術。
可別小看這套小小的環路熱管，它可是返回器可調節熱導的“熱開關”，是針對返回器再入大氣前大熱耗散熱需求與再入過程中隔絕燒蝕高溫需求兩個相互矛盾的設計約束而專門設計的，有效解決了返回器再入大氣前的大熱耗散熱、熱導調節和再入過程中熱阻斷的技術難題。
總體設計部嫦娥五號探測器熱控分系統主任設計師寧獻文介紹說，為了讓返回器舒服的飛行，熱控人員可下足了功夫：根據受熱要求設計了薄厚不一的“金衣銀飾”，通過尋找最冷最熱點，優化熱控策略，確保器內溫度穩定、平均，一道道精雕細琢的操作，一個個設計與施工的完美結合，最終確保了返回器冷熱自知，自由飛行。
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