中国探月三期面临四大难题：探测器以极高速度返回
发布时间：2014/10/27 11:24:36 作者：佚名 点击：
24日凌晨2时，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙改进型运载火箭，成功将探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空。
按计划将于24日凌晨从西昌卫星发射中心升空的“再入返回飞行试验器”，是中国探月工程三期任务中最关键也是最困难的一次试验。在发射之后，它将创造中国在太空中的多个首次，尤其是“太空打水漂”式的着陆方式让外界格外瞩目。为何这次技术试验如此引人关注？它对中国探月工程的意义到底有多大？为何要采用创新型着陆方式？多名中国航天技术专家向《环球时报》记者解释了这次试验背后的种种机遇与挑战。
探月三期面临四大难题
要了解这次试验的意义，首先得从它的性质说起。探月工程三期副总设计师郝希凡介绍说，与前几次嫦娥探测器的发射不同，这次进行的是一次技术验证性试验，通过飞行器的真实飞行，获取飞行器高速再入返回地球的相关轨道设计、气动、热防护、制导导航与控制等关键技术数据。飞行试验器发射升空后将经历星箭分离、地月转移、月球近旁转向、月地转移、返回地球附近、再入返回地球等6大关键节点，试验技术难度和创新性极高。
嫦娥三号任务成功后，中国探月工程全面进入“绕、落、回”的第三期，即“从月球采样返回”。 郝希凡说，通俗地讲，就是发射探测器在月球上挖一勺土，然后带回地球。然而要实现这个目的，我们面临着四大技术难题：首先是如何在月球上挖土取样；接下来登陆器怎么从月球表面起飞返回月球轨道；然后如何在月球轨道实现交会对接；最后探测器还要以接近第二宇宙速度的极高速度返回地球大气层着陆。郝希凡说，这些技术难题都是我们之前从未遇到过的，其中最后一步堪称整个探月工程三期里最难的技术。
中国航天科技集团公司飞行试验器副总设计师张伍透露，飞行试验器由返回器和服务舱两部分组成。服务舱与嫦娥2号的外形很像，返回器则与神舟飞船神似，但体积只有神舟飞船的1/8。他表示，试验飞行器的轨道采用“8”字形的地月自由返回轨道，这种特殊设计巧妙地利用地球和月球引力，让探测器飞抵月球附近后绕半圈自动向地球飞来，可为未来嫦娥5号的月地飞行轨道规划提供很大帮助。不过航天科技集团五院专家戴居峰介绍说，由于月球的引力场分布不均匀，因此利用月球引力规划探测器的轨道并不容易，整个过程需要经过多次调整。
被高速“逼”出来的“太空打水漂”
为何这次试验器返回时的速度成为探月路上“拦路虎”？张伍解释说，普通卫星只是围绕地球旋转，速度达到第一宇宙速度(约为每秒7.9公里)即可；在前几次探月飞行时，探测器也只是从地球到月球轨道，速度会越来越慢；而这次试验飞行器还包括了从月球返回地球轨道的过程，速度越来越快，再入返回大气层时的速度已接近第二宇宙速度(每秒11.2公里)。
这个极高的再入大气层速度，带来一系列前所未有的特殊挑战。郝希凡说，返回器从100多公里高度进入大气层时，这个高度的大气非常稀薄，已经不是连续的气流，而是分子气层，会产生一系列特殊的气体效应。此外在大气层中超高速飞行会对返回器产生烧蚀，其程度也比以往要高得多。因此现有的载人飞船和返回式卫星的着陆模式都无法满足需求。张伍说，我们为此设计了特殊的着陆轨迹：返回器进入大气层后，通过飞行控制提升高度，在太空中滑行一段距离后再次进入大气层，然后在内蒙古中部地区着陆。这种降落模式的官方说法为“半弹道跳跃式飞行”，因为它的原理和过程就像儿时玩的打水漂，因此又被形象地称为“太空打水漂”。
郝希凡介绍说，“半弹道跳跃式飞行”增加了在大气层的“一出一入”，可以消耗掉返回器的部分能量，从而减小着陆速度，拉长航程，有利于选择降落区。据介绍，苏联和美国探月时也曾利用过类似原理着陆，但他们的航程没我们长，而着陆场比我们大。由于当今中国的人口密度大，适合充当降落区的地方有限，这对返回器的降落精度也提出更高要求。
“回家之路”仍有不少难题
即便采用“半弹道跳跃式飞行”的特殊降落轨迹，返回器“回家之路”仍有很多未知难题。郝希凡承认，再入返回试验的基础是大量的地面设计、研究和试验工作。但是地面毕竟是模拟条件，模拟条件没有那么充分：比如地面要想模拟每秒11公里左右的飞行速度非常难；要模拟高层大气的真空度和化学反应也很难。因此，在地面只能分别分项做试验，而且逼真度不够。要检验设计方案是否正确，需要进行一次更为逼真的试验，也就是即将开始的“再入返回飞行试验”。郝希凡说，希望通过这次试验，能完整地验证我们的认识、我们的试验、我们的研制工作是否正确。他形容说，这就是“把试验场从地面搬到天上”。
张伍说，由于返回器返回地球时速度会越来越快，不但进入大气层时的姿态需要精确调整，而且对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区，如果角度大了，就直接落入大气层飞不起来。张伍介绍说，由于返回器降落时的速度非常快，不可能依靠地面遥控指挥，为此还专门开发了半弹道跳跃式飞行的制导、导航与控制系统(GNC)技术，让返回器能自主控制，“这是再入飞行的关键”。他强调说，返回器在降落过程中的微小变动都可能带来影响。例如在第一次进入大气层时，返回器表面会因为高温烧蚀使其外形和重量发生改变，因此在第二次进入大气层时，返回器就必须考虑到这些因素进行自动调整。
返回器的防热设计也是这次试验的重要科目。郝希凡透露，为应对与大气层超高速摩擦带来的高温问题，中国航天专家们已开发了多项热防护技术。此外，返回器的特殊需求也为热防护技术带来难题。例如在太空时，返回器内部的电子设备工作会产生大量废热，需要被及时排出；而再入大气层时正好相反，返回器外壁与空气摩擦产生的上千度高温需要隔绝。据悉，这些难题均已通过新型防热材料和结构克服。(环球时报赴西昌特派记者 马 俊)
发表评论
