嫦娥五号“挖土”归来实现我国航天史上多个重大突破

　　北京时间12月17日1时59分，探月工程嫦娥五号返回器携带月球样品，在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。

　　凌晨1时许，北京航天飞行控制中心通过地面测控站向嫦娥五号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后，轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处正常解锁分离，轨道器按计划完成规避机动。

　　凌晨1时33分，嫦娥五号返回器在距地面高度约120公里处，以接近第二宇宙速度（约为11.2千米/秒）高速进入地球大气层，实施初次气动减速。下降至预定高度后，返回器向上跃出大气层，到达最高点后开始滑行下降。之后，返回器再次进入大气层，实施二次气动减速。在降至距地面约10公里高度时，返回器打开降落伞完成最后减速并保持姿态稳定，随后在预定区域平稳着陆。负责搜索回收任务的测控与回收系统技术人员及时发现目标，有序开展回收工作。

　　按计划，回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后，将空运至北京开舱，取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式，正式向地面应用系统移交月球样品，我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也将随之启动。

　　嫦娥五号探测器于11月24日在中国文昌航天发射场发射升空并进入地月转移轨道。探测器实施2次轨道修正、2次近月制动，顺利进入环月圆轨道。此后，探测器经历组合体分离、环月降轨及动力下降，着陆器和上升器组合体于12月1日在月球正面预选区域着陆并开展采样工作。12月3日，上升器点火起飞、精准入轨，于6日完成与轨道器和返回器组合体之间的交会对接及样品转移，此后按计划分离并受控落月。12月12日至16日，轨道器和返回器组合体在完成2次月地转移入射、2次轨道修正后，返回器于12月17日与轨道器分离并重返地球。

　　国家航天局专家表示，嫦娥五号探测器在一次任务中，连续实现我国航天史上首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接、带样返回等多个重大突破，为我国探月工程“绕、落、回”三步走发展规划画上了圆满句号。同时，嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，成功实现了多方面技术创新、突破了一系列关键技术，对于我国提升航天技术水平、完善探月工程体系、开展月球科学研究、组织后续月球及星际探测任务，具有承前启后、里程碑式的重要意义。

　　护驾

　　天链二号01星保障信息传输

　　记者从北京空间信息传输中心了解到，在着陆场搜救任务中，天链二号01星全力“护驾”，建立起搜救空中分队通信直升机与北京航天飞行控制中心的信息传输链路，实现了图像、话音、调度等业务数据的实时传输，为搜救任务圆满成功奠定了坚实基础。

　　“天链二号01星”于2019年3月发射，是我国第二代数据中继卫星系统的第一颗卫星，可以为载人航天器、卫星、运载火箭等用户提供出色的数据中继、测控和传输等服务。在此次任务前，北京空间信息传输中心根据着陆场指挥部安排，通过手动输入嫦娥五号理论着陆坐标点进行相关状态配置，配合进行了多次着陆场任务演练，并提前加载任务操作计划，设置初始指向经纬度等相关参数。

　　“在搜救人员登机之前，我们的通信操作岗位工作人员已经根据调度指挥口令开启了直升机调度措施，在搜救任务过程中，工作人员要监视各种信息传输链路的保持情况，仔细观察光学吊舱图像的传输情况。”任务总体工程师秦铭晨说，岗位人员认真细致，根据直升机的实时位置，及时判断是否需要调整天线指向，确保了搜救信息传输畅通。

　　“23天前，我们也是在这个大厅通过天链卫星为长征五号遥五运载火箭提供了天基测控服务，顺利将‘嫦娥’送出去。今天，我们也圆满地将她迎了回来。”此次任务的调度指挥高泉在工作现场说。

　　突破

　　太空“邮差”成就嫦五探月之旅

　　风尘仆仆赶到地球上空后，嫦娥五号探测器轨道器、返回器分离。返回器带着月壤进入大气层，飞向着陆场。此时，嫦娥五号任务完成在即。回过头看，贯穿任务全过程的一个核心器件就是由中国航天科技集团八院研制的轨道器。它是最忠实的太空“邮差”——在相距38万公里的地球和月球之间，构建起一条太空“物流”的特殊通道，既承担地月往返运输的任务，将“乘客”安全地送往目的地，同时又要在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱”，将珍贵的月壤投送回地球。

　　“在整个任务过程中，轨道器在轨共有5次分离，6种组合体状态，承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，是目前最复杂的空间飞行器之一。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍。针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难等特点，研制团队突破了4项关键技术。

　　一、多点高强度分离螺母实现高可靠连接分离

　　嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个部分组合而成，多器分工合作的状态造就了探测器在太空中不断“分离-组合-再分离-再组合”的变形过程，这在我国的航天器中绝无仅有。而轨道器就拥有5个分离面，既要保证组合状态下器与器连得稳固，同时又要确保分离过程的安全可靠，这是探测器研制的一大难点。

　　轨道器摒弃了传统的舱段间包带连接方式，创新采用多点高强度分离螺母进行连接，通过在各分离面配置不同数量的分离螺母，满足舱段间连接强度与刚度要求。同时双动作分离螺母包含两套解锁机构，其中任意一套动作就能确保分离面每一个分离点的可靠分离。连接稳固、分离可靠的连接解锁与分离关键技术，成就了嫦娥五号的探月之旅。

　　二、抱爪、棘爪机构设计确保对接精度达到毫米级

　　嫦娥五号探测器在离地球38万公里外实施我国首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移，对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键，对接精度要求达到毫米级。

　　为了解决这一难题，八院科研人员创造性地研制出了抱爪式对接机构，配合采用棘爪式转移机构，在自动无人交会对接的同时实现样品容器的自动转移，这一世界首创的技术，确保了嫦娥探月采样任务的完成。

　　在此基础上，研制团队还构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大世界一流的地面测试系统，充分验证对接与样品转移机构地面试验的有效性。

　　三、结构轻承载重实现“鸡蛋壳上挂秤砣”

　　为了做到身材比例的完美，轨道器首次使用大承载复杂构型轻量化结构、多次分离复杂构型、多冗余路径复合传力结构、大承载复合材料一体成型插层变厚度承力球冠技术等七项创新技术，结构质量比达到9.6%，真正做到了效能最优。仅仅46公斤的承力球冠能够承载3吨的贮箱，具备30吨的极限承载能力，真正做到了“鸡蛋壳上挂秤砣”。

　　通过积极创新设计，轨道器内有“铮铮铁骨”，外有“完美身材”，擎得起飞天梦想，稳得住每个动作，成就了嫦娥五号探月之旅。

　　四、分区域管理，使软件跑得稳、信号传得好

　　轨道器采用分舱段设计，各舱段都有对应的配电管理、热控管理、信息管理需求，如果按照传统的模式进行整器电气设计，需要大量的跨舱段电缆进行信息交互，对轨道器的重量设计、分离面设计、电缆网设计以及整器总装造成负担。为此，研制团队创新提出了分区域管理的分布式综合电子单机设计思路，通过区域划分和整体布局，最大可能地减少穿舱电缆与舱段内硬线连接。同时，团队还创新提出整器电气管理的区域化、标准化、模块化设计思路，通过制定一系列标准规范，使综合电子系统做到从内到外整齐标准，灵活组装易于拓展，跑得稳软件，传得好信号，点得起火工品，控得住机构。目前这种分布式综合电子技术已在多种飞行器上推广应用。

　　揭秘

　　返回器如何回家？

　　●太空“打水漂”实现减速

　　嫦娥五号探测器的返回器回到地球，是在太空中打了“水漂”后回来的。

　　中国的这个“太空水漂”，术语叫“半弹道跳跃式返回”，即在返回器第一次进入大气层一定“深度”并滑行一定距离后，调整返回器姿态，使其再次升高，随着返回器的升高，其速度会进一步降低，在降到第一宇宙速度以下时返回器便不再满足成为一颗地球卫星的基本条件，再次开始下落，然后以类似神舟飞船的返回过程返回地球，后面的“回家”方式就轻车熟路了。

　　为什么要采用这种“打水漂”的形式回家呢？返回器从月球归来的速度是高达每秒11.2公里的第二宇宙速度，而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒7.9公里的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3公里多的差距，航天器如果以过高的速度进入大气层，摩擦产生的剧烈高温将带来极大风险，因此必须解决“减速”问题。中国航天科技集团五院总体设计部的轨道设计师们，决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障，让返回器在太空中潇洒地“打个水漂”。

　　“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，然后以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面，整个过程环环相扣，在15分钟内完成。”嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰说。这短短15分钟的旅行，凝结了设计师们无数的心血，一次次分析、一次次计算、一次次论证、一次次试验……最终成就了太空中精彩的跳跃，为探测器安全顺利返回打牢了基础。

　　当然，高科技加持的“太空水漂”与我们儿时在池塘边玩耍的“打水漂”还是不同的，小时候玩的薄石片一旦投掷出去便不再可控，但返回器的“太空水漂”全过程都是可控的。五院502所为嫦娥五号配备了制导导航与控制（GNC）系统，返回器中的计算机会根据当前的位置和速度信息，结合落点位置进行制导处理，自动规划出一条从返回器当前位置到打开降落伞地点的最佳飞行路径，然后通过向安装在返回器外的发动机发送喷气控制指令，调整返回器姿势，使返回器沿着规划轨迹飞行，最终使返回器“条条大路通落区”。

　　●穿“贴心防热衣”降温

　　返回器回家途中的另一个“拦路虎”就是高温。

　　见过神舟飞船返回舱的人一定对它乌黑的外表印象深刻。这是返回舱从近地轨道返回地球时，与大气层剧烈摩擦产生的高温烧灼而成的。“再入的速度提高一倍，再入热量将提高8至9倍”。中国航天科技集团五院总体设计部的嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝说，如此高的温度一旦进入返回器内部，后果将不堪设想。

　　如何防热、怎么对抗烧蚀，成为必须攻克的难关。因为运载承载能力的约束，返回器的质量受到严格限制。科研人员在设计过程中不仅需要新型低密度防热材料，还需要对返回器结构本身采用轻量化的设计。

　　为此，总体设计部防热结构设计团队为探测器巧妙设计了一件“贴心防热衣”。首先，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，从33种新研材料中筛选出了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的防热结构设计跨越；其次，科研人员提出了三维传热烧蚀分析方法，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，为试验任务的成功奠定了基础。

　　从防热结构设计、防热材料成型工艺研究、焊接工艺研究，到工程样机、结构器、热控器、专项试验验证器、正样器……嫦娥五号探测器的防热“霓裳羽衣”精心“缝制”而成，成为其安全顺利返回地球家园的保证。