探月三期再入返回试验圆满成功

中国成为回收绕月飞行器的第三个国家

本报记者  付毅飞

北京时间11月1日6时42分，再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，标志着我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。继前苏联和美国之后，中国成为成功回收绕月飞行器的第三个国家。

这是中国继十次牵引神舟飞船返回舱从300多公里的近地空间返回地球后，首次迎来从月球上空返回的飞行器。

国防科工局局长、探月工程总指挥许达哲表示，此次任务验证了接近第二宇宙速度再入的气动、热防护、制导导航与控制（GNC）关键技术，为探月三期工程打下了坚实基础。

俗话说“行百里者半九十”。在这次历时8天多、总航程80多万公里的任务中，返回的最后数千公里尤为艰险。在此，科技日报与您共同回望返回器最后那段归途。

将“明星”送上“红毯”

此次任务中，飞行试验器由服务舱和返回器两部分组成。大部分旅程中，两者紧密相伴，直到距地球约5000公里处，服务舱才与返回器分离，将它“推”入“返回走廊”，完成备受关注的最后旅程。

因此，如果把返回器比作一位明星，服务舱则像一辆轿车，不仅将它送上了红毯，一路上还负责了它的饮食、通信甚至“取暖乘凉”。

航天科技集团五院飞行试验器系统副总设计师张伍介绍说，两者组合飞行过程中，是由服务舱给返回器供电，并负责对返回器的测控。其间服务舱高精度敏感器还对返回器敏感器进行了标定，以保证其返回时精度更高。

五院飞行试验器服务舱GNC副总设计师王晓磊说，服务舱还通过制导导航与控制，帮助返回器实现了温度控制。比如其载荷关闭时，为防止温度过低，服务舱会把它转到阳光下晒晒；如果载荷开启，担心温度过高，则将其转到背阴处乘凉。

5时53分，服务舱的4个爆炸螺栓开启，与返回器分离。王晓磊说，这一动作非常关键，要保证4个螺栓爆炸时间同步、力度均匀，才能把返回器准确地推进返回轨道，否则可能影响返回器姿态，甚至出现两器碰撞，很可能导致任务失败。

分离后，返回器建立起独立的工作状态、启动自身电源，继续飞向家乡。而服务舱的任务也并未结束。

王晓磊说，分离约20分钟后，服务舱会点火变轨，争取离开地球大气层。“这件事难度很大，如果‘跑’不出去，它将在印度洋坠毁；但如果成功了，可以利用它做一些工程上的验证。”他说。

记者从北京飞控中心了解到，舱器分离10个小时后，运行在绕地大椭圆轨道上的服务舱转入了长期管理阶段，计划实施长达半年的拓展试验管理任务，如飞赴地月L2点、飞往月球进行环月飞行等，以验证未来“嫦娥五号”任务相关飞控技术。

在太空画一道全新的弧线

相比以往载人飞船飞回地球的轨道，从月球飞回地球的轨道有着巨大差别。

五院飞行试验器副总设计师彭兢说，以往低轨返回的航程只有一千多公里，而这次任务中返回器需要走一条长达数倍且从未走过的路。

“在接近地球时，虽然也可以通过不断变轨走以前的成熟路线，但代价是多背负几吨重的燃料。这显然不切实际。”他说。

为满足返回路程、速度等多方面要求，五院502所科技人员“画”出一道全新的弧线。其中，制导导航与控制系统发挥了关键作用。

五院飞行试验器返回器GNC副总设计师王勇介绍，通过“导航”可以知道返回器的位置，“制导”能帮它找到回家的路，“控制”则使它走上这条路。

在服务舱、返回器分离的一瞬间，导航系统和高精度惯性测量单元准确测定出返回器的精准位置，在茫茫宇宙中标定了弧线的起点。自此，返回器进入制导走廊。这是个巨大的空间三维隧道，连接首尾的弧线有无数条，通过制导器件精准计算，预测出返回器下一个点的位置，在隧道中一个点一个点连成了最精确的弧线。最后，科技人员通过实时修正控制，确保返回器贴近最理想的轨迹。

三站接力护送返回器精准穿越

如果把地球比作一个篮球，返回器回家的通道宽度则比一张纸还薄。

五院飞行试验器轨道主管设计师汪中生说，返回器的轨道设计对再入点参数精度要求非常高，必须精准穿越，才能安全返回地球。

为了尽可能提高返回器的测轨精度，北京飞控中心在任务中首次采用三站联合接力跟踪技术。该中心飞控总体主任设计师席露华介绍，参与联合接力跟踪的圣地亚哥、玛斯帕拉玛斯和纳米比亚三个测站均位于境外，在地理分布上成三角几何状。就像三角形结构是最稳定的形状一样，采用三角几何状分布的测站联合接力跟踪测量，可以确保实现高精度轨道测量。

该技术给飞控工作带来了许多难题。席露华说，科技人员从建立基础逻辑分析模型入手，做了上百次方案论证和误差分析，最终让一个个难题迎刃而解，为实现安全再入返回奠定了坚实基础。

6时许，北京飞控中心大屏幕上出现了返回器的模拟动态。它越过了南大西洋、印度洋，沿着预定轨道向着祖国飞来。

该中心测控通信指挥部指挥长陈宏敏介绍，为迎接返回器，测控通信系统沿返回走廊布设了一条地面测控链，通过它向返回器发送指令，并获取数据，实时计算返回器的轨道并预报其着陆地点。精确的轨道预报是引导测站跟踪返回器和进行返回器落点预报的前提。

十余分钟后，返回器抵达距地面大约120公里的大气层边缘。

在大气层打一个漂亮的“水漂”

与神舟飞船以大约每秒7.9公里的第一宇宙速度返回不同，此次任务返回器进入大气层的速度超过每秒11公里，已接近第二宇宙速度。以这样的速度返回地球，如果不能有效减速，返回器会在大气层中烧蚀殆尽。

为此，我国首次采用了半弹道式跳跃的返回方式。“跟我们小时候打水漂类似，飞行器要在大气层表面‘打个水漂’。”探月工程三期副总设计师郝希凡说，返回器首次进入大气层后将受控“跳”起，经过滑行再次进入大气层并飞向落区。如果成功，返回器的速度会进一步降底，降到第一宇宙速度时，后面的过程就轻车熟路了。

这一跳并不容易

郝希凡说，高层大气变化无穷，受到黑天白夜、太阳风、地磁场等多种因素影响，大气变化误差很大。

王勇表示，高空大气密度变化范围可达正负80％，低空大气密度变化范围也有20％—40％。“如果大气密度高，就让返回器早点跳；密度低就多降点再跳。”他说，返回器进入大气层后，制导导航与控制系统要实时对气动参数、大气密度等进行辨识、仿真和计算，且要在极短的时间内完成，对该系统带来了严峻考验。

在持续3分多钟的初次再入后，返回器从距离地面60多公里处一跃而起，跳回约110公里高度，并按计划实现二次再入，完美地跨过了归途中最危险的“一道坎”。

给热控加一个开关

即使借助了跳跃方式，返回器再入大气仍会对热控带来挑战。

返回器再入速度大、时间长，表面温度最高可达2000多摄氏度，如果传导到内部，将对其载荷产生严重影响；而在之前的飞行阶段，器上惯性测量单元工作时发热量很大，又必须释放出去。散热和隔热，成为科技人员必须解决的矛盾。

抗烧蚀是第一道必需攻克的难关。五院总体部防热结构设计师们为飞行试验器巧妙设计了“防热服”。他们针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求，提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标，新研了7种防热材料，完成了防热材料的布局和局部防热结构设计，实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。同时提出了三维传热烧蚀分析方法，在我国首次采用整体变厚度、变密度，分区域、偏轴设计方案，突破了轻量化设计关键技术，并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法，实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验，为任务成功奠定了基础。

为让返回器在历时8天的旅程中成功抵抗宇宙环境和再入环境的温差，科技人员更是首次攻克的异构式环路热管热控技术。五院飞行试验器热控分系统主任设计师宁献文说，该技术就像给热控加了一个开关，需要散热时打开，需要隔热、保温时关闭，有效解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调节和再入过程中热阻断等技术难题。

回收成功率高于99.9％

在距地面约11公里处，它的速度已降到每秒百米左右，进入了此次任务最后的回收着陆阶段。这时，它要用到最后一样减速装备——降落伞。

五院回收分系统主任设计师荣伟说，返回器落地时，速度应降到每秒10米左右，为此开伞时机大有讲究。开得太早，强大的空气阻力会使得降落伞的温度不断升高，直至烧毁；开得太晚，返回器可能来不及降到规定速度就会撞到地面。

此次任务中，五院508所的设计师首次把高度作为开伞的控制参数。回收系统副主任师江长虹说，无论返回器的飞行轨迹是否偏差，在到达11公里这一预先设计高度时，回收系统都会发出开伞指令。

由于返回器仅重300多公斤，科技人员为它量身打造了轻小型化的回收系统。他们通过优化降落伞的结构设计、采用先进材料制造技术，实现了与伞衣密切连接的伞绳在承受力度不变的前提下减重20％以上。为确保安全可靠，他们在弹伞、脱伞等环节上都设计了备用方案以实现“双保险”，对降落伞开伞、弹出等关键动作的火工品进行了超过300件次的地面试验，还利用空中飞机投放、地面火箭助推等方式模拟不同的工作条件，进行了20多次试验验证。多管齐下，确保回收成功率高于99.9％。

与神舟飞船相比，返回器往返于地月之间，将穿越地球外层空间高强辐射带，使其回收系统降落伞受到的空间辐射达到了神舟飞船降落伞的50倍。同时，飞行器再入返回与大气摩擦产生的高热，也会给降落伞带来风险。为此科研人员进行了大量空间辐射对材料性能影响的试验研究工作，采取了耐热、隔热等多种设计措施，保证回收系统的材料都能经受住极强空间辐射和高温考验。

除打开降落伞，返回器还会启动无线信标，以便搜索。它配有两种信标，分别为国际救援组织通用频率和民用频率。

6时42分，在着陆场光学雷达和红外雷达的注视下，返回器翩然而至，稳稳落地。

左上图 11月1日，再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆。图为工作人员对返回器进行现场检测。新华社记者 张领摄

（科技日报北京11月1日电）