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科学家|嫦娥五号王者归来，就为取两公斤月球样本？雄心壮志毫不掩饰( 五 )


上升器月面起飞
月面起飞轨道设计、月面起飞测控、发动机羽流导流都是月面起飞的核心难题 ， 早在2015年6月航天科技集团六院101所轨姿控发动机试验区就进行了嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验 ， 第一阶段试验即取得四战四捷成绩 ， 充分验证了设计的可靠性与正确性 。
嫦娥五号T1探测器曾模拟上升器运动轨迹
2014年发射的嫦娥五号T1试验器服务舱也曾在第三阶段拓展任务中验证了嫦娥五号上升器的运动过程 。
为了确保上升器能够飞起来我们综合空间任务与地面试验进行了大量的任务验证 ， 并且建立了一整套系统保证任务 ， 各保证任务之间环环相扣 。 比如 ， 着陆系统保证着陆在相对平坦的月面 ， 上升系统保证即便着陆在倾斜坡面也能安全起飞等等 ， 都是着眼最复杂的险局危局进行任务设计 。
动作8：月球轨道交会对接
单单依靠上升器是无法把月壤样本送回地球的 ， 它需要与轨返组合体对接进行样品转移 ， 并由返回器送返地球 。
嫦娥五号返回器
我国通过载人航天工程已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术 ， 然而嫦娥五号要突破的是38万公里以远的月球轨道无人交会对接 ， 这在人类航天史上又是一个“第一次” 。
月球轨道无人交会对接需要测控网攻克深空轨道多目标高精度测定轨技术 ， 同时还需要针对嫦娥五号任务的特殊要求研制全新的轻量化对接系统 。
月球轨道交会对接
神舟飞船与天宫实验室交会对接是体量相当的空间目标撞击 ， 而嫦娥五号轨返组合体此时超过2吨的体格 ， 与数百公斤的上升器明显不对称 ， 任务要求由轨返组合体主动对接上升器 ， 是大追小的复杂受力条件 。
抱爪式对接机构
为了解决这一难题航天科技八院研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构 ， 它采用捕获、校正、锁紧、自动转移功能一体化设计 ， 在无人交会对接的同时实现样品容器自动转移 ， 这一技术可以当之无愧地称为世界首创 ， 是嫦娥五号具有世界领先水平的重要元素之一 。
月壤样本自动转移至返回器
实施对接任务前轨返组合体首先要分离返回器支撑舱 ， 从月面起飞的上升器将进入近月点15公里、远月点180公里的目标轨道 ， 随后经过两天的环月飞行完成上升器与轨返组合体之间的远程导引 ， 进入自主近程交会段后在微波雷达导引下于3.5小时内实现两器对接 。
交会对接前轨返组合体抛掉支撑舱
动作9：环月等待
完成对接与样品转移后上升器将被抛离 ， 紧接着轨返组合体将进入为期6天的环月等待飞行 ， 目的是进入能量最优月地转移轨道 。
动作10：月地转移
轨返组合体月地转移飞行
当112小时月地转移能量最优轨道窗口到来时 ， 轨道器3000N发动机点火切入返回轨道 ， 当轨返组合体距离地球约5000公里时 ， 轨道器协助返回器建立再入返回姿态 ， 随后轨返分离 ， 返回器飞向地球进入再入返回航路 。
嫦娥五号T1试验器轨返分离
动作11：近第二宇宙速度再入大气层
以往神舟飞船再入大气层的初始速度是7.6公里/秒 ， 所承受的再入大气烧蚀温度在2000摄氏度左右 ， 而嫦娥五号返回器则将以11公里/秒的近第二宇宙速度再入大气层 ， 与大气摩擦的烧蚀温度将高达2760摄氏度 。
再入烧蚀
为了抵御高温烧蚀嫦娥五号返回器在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼七大部位分别应用了7种不同成分的防热烧蚀材料 。
舱体承受高温烧蚀的同时还面临气动减速难题 ， 因为接下来还要打开减速伞实现软着陆地球 ， 速度太快对减速伞的压力更大 。
高速半弹道跳跃式返回轨道
为此我们创新出了高速半弹道跳跃式返回轨道 ， 就像打水漂一样 ， 返回器第一次再入大气后在距离地面接近60公里时利用大底前端形成的弓形激波再度反弹回太空 ， 尔后再二次再入大气层 ， 此时返回器再入速度将与神舟飞船返回舱一样 ， 这样做的目的主要是为了减速 。


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