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“挖土”归来 嫦娥五号闯过了几道关

约稿员2020-12-1751

“嫦娥五女人”回来了!

12月17日破晓,它带着中国科学家求之不得的月球样本,稳稳降落在内蒙古四子王旗,宣告了我国首次月面自动采样返回义务取得圆满乐成。

不外,荣耀归来的门路并非坦途。你可知道嫦娥五号回家迈过了几道坎?

它的“外家”——中国航天科技集团五院向科技日报记者进行了先容。

怎样在大气层外面“打水漂”

与几位“姐姐”相比,嫦娥五号拿到的是一张地月旅行“往返票”。

这张票弥足珍贵。此前,全天下只有美国、苏联的航天器,以及我国的嫦娥五号再入返回航行试验器实现过绕月再入返回。

资料显示,外洋再入航天器共有3类:弹道式再入航天器、弹道—升力式再入航天器和升力式再入航天器。

而中国探月工程则接纳了一种全新的再入方式——半弹道跳跃式再入返回。

近地轨道航天器再入返回大气层时,速率通常为每秒约7.9公里的第一宇宙速率。而嫦娥五号从月球追风逐电般向地球飞来,速率靠近每秒11.2公里的第二宇宙速率。

每秒3公里多的速率差,带来的力道大不相同。若是嫦娥五号冲劲过猛,一头撞向地球,整个义务都将前功尽弃。

要制止这种风险,首先要解决速率的问题

这是一个天下级难题。科研职员在频频学习和研究美、苏履历的基础上,连系我国航天器实际情况,决议借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障。

他们提出了一个勇敢的方案——半弹道跳跃式再入返回。

“就像在太空中打水漂一样,返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再以第一宇宙速率扎入大气层,返回地面,整个历程环环相扣。”五院嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰先容说。

2014年,我国发射探月三期再入返回航行试验器,模拟了嫦娥五号奔月、绕月、返回的全历程,并对跳跃式再入返回手艺进行了乐成验证,使我国成为继美、苏之后,天下第三个乐成实行航天器从月球轨道重返地面的国家。

返回气动设计比神舟飞船更庞大

嫦娥五号能否乐成打出一个漂亮的“水漂”,要害在于气动手艺研究工作的周全性和正确性。

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五院总体部设计师李齐先容,相比近地轨道航天器返回,嫦娥五号面临的气动问题加倍庞大,再入热环境条件更为严酷,对气动数据的精准度要求更为苛刻。

首先,高速再入会导致庞大流动效应影响增大,种种庞大流动效应将对返回器气动力、热特征发生巨大影响。

其次,由于跳跃式再入,烧蚀、燃料消耗等种种因素,使得二次再入地球大气的形状顺应不确定性增添。

第三,由于轻小型化要求,嫦娥五号返回器尺寸比海内外任何一种半弹道式再入航行器都要小许多。尺寸的减小、质量的降低,可能导致返回器航行稳固性下降,对气动特征预估准确度等方面提出了更高要求。

此外,相比返回式卫星和神舟飞船返回舱,本次义务中返回器面临的热环境要恶劣得多。由于高温效应,必须要思量高温辐射加热影响,而这是近地轨道航天器剖析再入热环境时不需要思量的。

面临重重磨练,五院总体部气动团队开展要害手艺攻关,从海内外同类返回航行器的气动研究成果中吸取履历,同时努力向院内外系统专家讨教,终于准确掌握了返回器气动研究工作难点和要害点,制订了周全详细的气动研究纲领。

要想突破半弹道跳跃式高速再入返回手艺,气动设计、剖析与验证必须解决形状、质心和数据三大需求。气动团队携手多个海内专业气动单元,开展了30余项研究工作,盘算/试验状态跨越20000个,逐步确定了返回器气动形状、配平质心盒、气动标称数据库及其误差局限,为相关分系统设计、仿真和试验提供了可靠的数据输入。

最终,他们完成了相关研究,提出了适用于轻小型跳跃式高速再入返回器的气动形状设计方式、基于时变估量误差的配平质心盒设计方式,以及适用于高速再入返回器的气动力误差盘算方式,完成了适用于第二宇宙速率再入的高空跨流域气动特征盘算方式研究等;同时突破了多项要害手艺,填补了多项海内空缺,并在探月三期再入返回航行试验器义务中得到了有用验证,为嫦娥五号义务圆满乐成立下了汗马功劳。

又要隔热又要散热,怎么解?

高温是嫦娥五号返回途中的另一道难关。

若是你见过神舟飞船返回舱,一定会对它那黝黑的外表印象深刻,这是被大气层猛烈摩擦发生的高温烧灼而成的。

而嫦娥五号遇到的温度将会更高。五院嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝先容说,若是返回器再入的速率提高一倍,再入热量将提高8至9倍。

云云高温一旦进入返回器内部,结果将不堪设想。防热成为必须攻克的难题。

由于要保证运载承载能力,嫦娥五号返回器的质量受到了严酷限制。不仅要求返回器结构自己接纳轻量化设计,还需要接纳新型低密度防热质料。

为此,五院总体部防热结构设计团队针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,提出了差别部位耐烧蚀和隔热的详细需求与指标,从33种新研质料中筛选出了7种防热质料,完成了防热质料的结构和局部防热结构设计,实现了我国防热结构设计由近地轨道再入到深空轨道再入的跨越。

同时他们提出了三维传热烧蚀剖析方式,接纳整体变厚度、变密度,分区域、偏轴设计方案,突破了轻量化设计要害手艺,并行使一维烧蚀剖析和三维温度场剖析相连系的数值剖析方式,实现了用局部烧蚀试验取代整器烧蚀试验,为义务乐成奠基了基础。

从防热结构设计、防热质料成型工艺研究、焊接工艺研究,到工程样机、结构器、热控器、专项试验验证器……设计团队为嫦娥五号经心“缝制”了一件“知心防热衣”,成为它平安顺遂返回家园的生命保证。

在返回大气层匹敌烧蚀环境之前,嫦娥五号在航行历程中另有大热耗散热需求。隔热与散热,听起来几乎是不能和谐的矛盾。

然而五院总体部热控设计师们攻克了异构式环路热管热控手艺,相当于给返回器增添了可调治热导的“热开关”,有用解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调治和再入历程中热阻断的难题。

太空航行时代,嫦娥五号还面临着温差高达数百度的宇宙环境。五院嫦娥五号探测器热控分系统主任设计师宁献文先容,为了让嫦娥五号恬静地航行,热控职员凭据受热要求为它设计了薄厚纷歧的“金衣银饰”,通过寻找最冷最热门,优化热控计谋,确保器内温度稳固而平均。

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