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号返回器 踏凌波舞步 披隔热霓裳——揭秘“嫦娥”回家之路

北京时间12月17日1时59分，“采撷月壤”的嫦娥五号荣耀归来，稳稳着陆在内蒙古四子王旗，中国首次月面自动采样返回任务取得圆满成功。
与嫦娥一号、二号、三号、四号4位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”无疑是个幸运儿，因为执行自动采样返回任务而拿到了一张珍贵的地月旅行“往返票”。截至目前，世界上只有美国、苏联的航天器以及中国探月三期再入返回飞行试验器成功开展了绕月再入返回试验。
来自国家航天局的消息称，作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，嫦娥五号任务成功实现了多方面技术创新、突破了一系列关键技术。嫦娥五号返回器如何回家，采访人员就此采访了嫦娥五号任务相关专家。
在太空“打个水漂”再回来
嫦娥五号返回器是在太空中打了个“水漂”之后回来的。
这个“太空水漂”，航天术语叫“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。
“为什么要采用这种‘打水漂’的形式回家呢？”中国航天科技集团五院总体设计部嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰告诉采访人员，嫦娥五号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，然后再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。”孟占峰说。
短短900秒的旅行，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……绞尽了脑汁，费尽了心思，最终成就了太空中精彩一跃，为探测器安全顺利返回打牢基础。
回家途中高温“拦路虎”
嫦娥五号返回器回家途中的另一个“拦路虎”就是高温。
“再入的速度提高一倍，再入热量将提高8至9倍！高速进入大气层时摩擦产生剧烈高温，热度急剧提升给航天器返回带来巨大挑战。”中国航天科技集团五院总体设计部嫦娥五号探测器结构分系统主任设计师董彦芝说，如此高的温度一旦传导进返回器内部，后果不堪设想。
如何防热、怎么对抗烧蚀，成为必须攻克的难关。董彦芝告诉采访人员，因为运载承载能力的约束，嫦娥五号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，中国航天科技集团五院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，科研人员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7种防热材料，完成防热材料的布局和局部防热结构设计，实现我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计跨越。
其次，科研人员提出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基础。
董彦芝告诉采访人员，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的生命保证。
“只有起点高、跨度大，我们才能追得上”
作为中国探月工程“绕、落、回”三部曲的收官之战，嫦娥五号探测器的研制团队与嫦娥五号相伴10年之久。
中国科学院院士、“人民科学家”国家荣誉称号获得者、中国航天科技集团五院空间科学与深空探测首席科学家叶培建说：“从2011年1月立项，到现在整整10年。”
2020年11月24日，嫦娥五号一飞冲天，筑起了中国航天史上“九天揽月”新的里程碑。

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