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嫦娥五号大获全胜!返回器32马赫高速再入,力抗上万度高温

2020-12-22 10:32| 发布者: admin| 查看: 78| 评论: 0|来自: 巅峰高地

摘要: 公元2020年12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号月球采样返回器成功着陆于内蒙古四子王旗主着陆场,地面搜索分队在6次落点预报导引下顺利找到返回器。至此,我国首次月球无人采样返回任务迎来了史诗般的伟大胜利。嫦娥五号 ...

公元2020年12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号月球采样返回器成功着陆于内蒙古四子王旗主着陆场,地面搜索分队在6次落点预报导引下顺利找到返回器。至此,我国首次月球无人采样返回任务迎来了史诗般的伟大胜利。


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嫦娥五号返回器成功着陆地球(红外成像画面)


自发射以来的23天任务时间里嫦娥五号可谓是过五关斩六将,完美无瑕地闯过了全部11道艰难险关,在此次任务中我们连续攻克了大吨位航天器地月转移轨道入射、机械臂与钻机联合月面采样、地外天体样品封装、地外天体发射、人类首次无人月球轨道自动交会对接等一系列核心技术能力。


奠基嫦娥五号取得伟大胜利的最后一关则是第二宇宙速度高速半弹道跳跃式再入返回,这一殿堂级技术。


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嫦娥五号返回器实拍画面


纵观嫦娥五号整个任务流程,它一直处于“断舍离”的状态中:长征五号遥五发射入轨“器箭分离”,进入绕月轨道后轨道器/返回器组合体与着陆器/上升器组合体分离,完成月面采样后上升器起飞与着陆器分离,实施月球轨道自动交会对接完成样品转移后,上升器/对接机构与轨道器/返回器组合体分离,进入月地转移轨道后在距离地球数千公里处返回器与轨道器分离。


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嫦娥五号的“断舍离”


一个八吨多重的大家伙最终只有返回器这个重量仅有300多公斤的小家伙回到地球,而它就是我们胜利的见证。


“高速半弹道跳跃式再入返回技术”就是确保小家伙能够回到地球的“太空船票”,为了拿下这一技术我们早在六年前就专门发射了一颗验证探测器“嫦娥五号T1”。


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嫦娥五号T1试验器


当年嫦娥五号T1由长征三号丙运载火箭发射至近地点219公里、远地点41.3万公里的地月转移轨道,随后在距离月球约6万公里处实施月旁转向,尔后进入月地转移返回轨道,并在距离地球约5000公里处释放返回器,在此次任务中我们全面掌握了具有国际领先水平的“太空打水漂”式再入返回技术。


那么,何为“太空打水漂”?返回器浑身上下几乎没有可动舵面,它又如何精准操控呢?


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嫦娥五号返回器


嫦娥五号返回器与轨道舱分离后独自高速飞向第一次再入点,它将以较小的再入角度再入大气层,此时速度约为32马赫,尔后经历第一次黑障,出黑障后抵达距离地面约60公里高度基于升力作用再次反弹回宇宙空间,经过一段滑行后二次再入大气层,这就是“太空打水漂(高速半弹道跳跃式再入返回)”。


太空打水漂相较于传统半弹道式的再入行程会延长很多,整个再入行程预计在5100至7000公里,随着距离的增加也不可避免地对落点精度产生影响,此时就需要精准的控制技术。


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高速半弹道跳跃式再入返回轨迹


嫦娥五号返回器充分继承嫦娥五号T1方案设计,采用的是球冠钟形体构型,二者顶部都有两片稳定翼,该装置结合钟形体构型可以确保返回器拥有唯一稳定配平点。有了这个唯一的“配平点”意味着返回器即便遭遇动力失效或者姿态失稳等故障,最终都能自动配平恢复至预设姿态,进而飞回着陆场。


看似简单的稳定翼实际上设计难度非常大,需要通过大量的风洞吹风测试以及验证试验才能得出最优设计结果,联盟系列飞船曾经用了整整十年才最终确定稳定翼气动外形与安装位置。


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右侧两片凸出结构就是稳定翼


除了稳定翼,嫦娥五号返回器还配置有12台RCS姿控发动机辅助配平,姿控动力在不同高度层不同速域环境下的喷射效果也有不同,因此还需要加码质心盒辅助配平。


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嫦娥五号返回器RCS姿控动力系统


返回器从设计之初就需要精密计算结构质量,再入过程中防热材料的高温烧蚀会改变飞船质心,加上采样样品重量的不确定性对质心也有影响,此时就需要质心盒及时准确地调整控制质心,进而实现返回器的精确操控。


返回器精确操控还有一个大前提,就是初始入射轨道精度,当轨返组合体从遥远的38万公里外踏上归途的第一步开始就已经影响着返回器的最终归宿,为此测控团队为它准备了一系列轨道精度保证措施。


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嫦娥五号月地转移轨控流程


在轨返组合体整个月地转移飞行过程中,先是进行两次月地转移轨道入射,专门设计用小推力发动机长程工作确保探测器不出现大的振动,以利于入射轨道精度的保持,此后又进行了两次轨道中途修正,这才有了嫦娥五号返回器实施太空打水漂的完美起跑线。


话说,为什么嫦娥五号一定要用如此复杂的太空打水漂操作呢?答案只有一个,因为我们的梦想是星辰大海。


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阿波罗载人返回舱(指令舱)


回顾历史,阿波罗载人登月虽然也宣称采用了高速半弹道跳跃式再入返回技术,但实际上返回舱跳跃最高点也没能突破80公里,更不用说进入太空自由飞,其目的只是单纯为了将半弹道式再入的17个g过载降低至7个g,唯有如此宇航员才能经受得住。


NASA由于迟迟无法突破真正意义上的高速半弹道跳跃式再入返回技术,以致于起源号、星尘号两个探测器不得不以弹道式轨迹再入大气层,产生的过载高达32g,巨大过载对探测器各系统工况稳定性提出了极为苛刻的要求,起源号就是因为重力开关装置故障导致减速伞没能及时打开,进而直接撞毁于地面。


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撞毁于地面的起源号返回舱


连NASA都没有的技术日本自然也是没有,隼鸟号、隼鸟二号两艘小行星探测器使用的也都是最传统的弹道式再入方案,并不具备载人应用前景。


另一个应用高速半弹道跳跃式再入返回技术的是苏联旨在用于载人绕月任务Zond系列无人飞船,该飞船起跳高度太低跳跃高度又太高,安全性不能保障,随着登月竞赛落幕该系列飞船也被尘封在历史的档案中没有了下文。


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嫦娥五号太空打水漂模拟动画


嫦娥五号返回器应用的高速半弹道跳跃式再入返回方案才是真正的未来技术,可以有效兼容解决力载荷与热载荷问题,其再入最大过载不超过4.8g,仅比近地轨道运行的神舟飞船略高,远小于


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