深度:浅析嫦娥三期再入返回试验 为载人探月打前站

2014年11月04日 15:34  新浪军事 微博 收藏本文
资料图:为什么要搞探月工程?目前重返月球开发资源、并建立基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。且不论月球上的丰富资源对人类的价值,从长远的角度看,开展月球探测工作标志着中国航天深空探测实现了零的突破。中国过去在航海时代中曾经落后,在航天时代中不能再   资料图:为什么要搞探月工程?目前重返月球开发资源、并建立基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。且不论月球上的丰富资源对人类的价值,从长远的角度看,开展月球探测工作标志着中国航天深空探测实现了零的突破。中国过去在航海时代中曾经落后,在航天时代中不能再

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  这是一次从头低调到尾的航天任务,低调到大多数人都没有意识到它的存在。从10月24日在西昌发射到11月1日返回器完美着陆在内蒙古四子王旗着陆场,仅历时八天零四小时。然而就在这短短一周出头的时间里,我国的航天技术又一次向前迈进了一大步。

  2014年10月24日凌晨,一场雷雨刚刚结束,随着01号指挥员一声令下,一枚改进型长征三号丙运载火箭腾空而起,直冲向刚刚放晴的夜空。在它的整流罩里,我国探月工程第三期“嫦娥5号T1”飞行试验器正整装待发。1170秒后,火箭将飞行试验器准确送入近地点200公里、远地点41.3万公里的地月自由返回轨道。关于此次任务的新闻报道一直不多,由于媒体恪守低调报道的原则,即使是航天爱好者,在发射前也只知道,本次任务的主要计划是验证航天器以接近第二宇宙速度返回地球的技术。

  如今嫦娥5T1的返回器安全降落,我们再回过头来看这八天的奔月历程,会发现本次任务所包含的,远远不止当初新闻中所说的这些。

  以笔者愚见,本次任务难点或者说亮点主要有三,分别是地月自由返回轨道的设定与测控,返回器弹跳式再入与轨道器后续拓展任务。每一项都是我国第一次测试,每一项都给我们带来了惊喜。

  本次飞行试验器注入的地月自由返回轨道也是此次任务的一大亮点。简略地形容这一轨道,就是在地球与月球之间画一个硕大的“8”字。这个8字的一个圆圈内是地球,另一个圆圈内就是月球。

在
资料图:资料图:成像清晰度却非常高,这也在一定程度上反应了我国航天遥感成像技术水平

  所谓地月自由返回轨道是指发射后飞行器可以到达月球附近,但不会被月球捕获,可以借助月球引力转向,自动返回地球的轨道。计算和使用地月自由返回轨道的难度很高,因为各项参数非常复杂,需要考虑地球、月球和飞行器在每个时刻的相对位置和相对速度,既要保证飞行器能利用月球的引力进行折返,又不能使飞行器被月球捕获成为月球卫星。令人惊喜的是,长三丙火箭的出色表现不仅准确将飞行器送入这条轨道轨道,还让它取消了数次轨道调整,这也为后续服务舱开展拓展任务营造了条件。

  嫦娥5号T1本身给我们带来的第一个惊喜,也发生在这一轨道上。在完成月球近旁转向后,飞行器向北京发回了它一路所拍摄的几张照片,分别是远距离回望地球,近距离观察月球,以及拍摄地月合影。

  拍摄这几张照片时,飞行器已经距离地球近40万公里,距离月球也有上万公里,成像清晰度却非常高,这也在一定程度上反应了我国航天遥感成像技术水平。我们可以清楚地在地球照片中看到澳大利亚的身影,我国、乃至全世界也第一次从这种角度看到地月的清晰合影。

  与苏联类似,我国的月球返回飞行器也是在载人航天返回舱的基础上开发的。从上面两张照片可以比较明显地看出,嫦娥返回器就是一个缩小版的神舟飞船返回舱。

  不同于神舟飞船的银灰色烧蚀涂层,嫦娥返回器的亮白色涂层是用于抵抗以第二宇宙速度穿越大气层时的高温,它所采用的是我国最新研制的烧蚀材料。根据目前的新闻报道,除隔热涂料以外,返回器本身的材质也进行了改进,迎风面使用了耐热性更强的含硅材料。

资料图:资料图:这个极高的再入大气层速度,将为嫦娥5号返回舱带来一系列前所未有的特殊挑战。这个高度的大气非常稀薄,会产生一系列特殊的气体效应。此外在大气层中超高速飞行会对返回器产生烧蚀,其程度也比以往要高得多。因此现有的载人飞船和返回式卫星的着陆模式都无法满足需求。

  它与神舟飞船的相似主要体现在外观和总体架构上,这主要出于两点考虑:一是我国已经掌握神舟返回舱的气动外形,对其构造进行缩小技术上较为稳妥,二是采用与神舟飞船类似的返回器,为日后的载人探月任务打前站。

  我想要说的下一个惊喜也正是来自于飞行器的返回器。

  正如报道所说,2014年11月1日凌晨六时,飞行试验器的服务舱与返回器成功分离,返回器进入预定的再入走廊。再入走廊是一容许角仅0.4度的狭小通道。再入角度过小,飞行器被弹飞后就不会落回地球;再入角度过大,飞行器就不会弹出大气层而会直接落向地面。有人做过这样一个比喻:如果说地球是一个篮球,那再入走廊的宽度就比一张纸还要薄。

  嫦娥返回器一进入大气层,就被在印度洋上的远望3号测量船捕捉到。在画面中,一个闪亮的火球拖着一条长长的尾巴划过天空,不一会,它又消失在远望测量船的视线之外。这不是返回出现意外,而是说明返回器又成功地弹出了大气层,进入第二次再入的过程。这一次,返回器没有任何犹豫,准确地飞向了那个全国人民都很熟悉的地方——内蒙古四子王旗着陆场。

  随着升力飞行阶段的结束,巨大的降落伞在引导伞的牵引下牵出并打开。在清晨的秋风中,从月球载誉归来的返回器徐徐落下。落点,正是我要说的第三个惊喜。

资料图:弹跳式再入示意图资料图:弹跳式再入示意图
资料图:远望三号拍摄到的嫦娥试验器返回器资料图:远望三号拍摄到的嫦娥试验器返回器

  由于我国航天人员的精确计算与控制,事后发现返回器的实际开伞点,离理论落点仅仅相差几百米。这无异于首次射击就打中靶心。对于一个首次试验第二宇宙速度弹跳返回的国家来说,这是出乎意料的惊喜。我国对这次返回试验本没有十成的把握,为防止出现意外,还准备了相当多的预案,比如划定了一片史无前例硕大的禁飞区乃至都划入了蒙古境内。

  说到本次任务着陆场的地址,还有一段有意思的故事。在试验飞行器研制之前,专家曾经对降落地点有过争论。有人认为,作为无人飞行器,可以选择过载较大的弹道式返回方案,在原来的尖兵系列返回式卫星的着陆场四川遂宁附近着陆,这样也可以降低回收风险。决策者最终选择四子王旗的原因,是那里已经成功回收过十艘神舟飞船,设备完善,工作人员经验相当充分。况且选择内蒙,也可以为今后的载人任务做准备,算是一举两得。

  弹跳式返回确实不是我国无人探月飞行器返回的唯一方案。历史上,苏联就曾使用弹道式返回成功使他们的探月飞船返回器着陆。而弹跳式返回最大的优点,是减小降落时的过载,这对于那些实心的岩石样本意义不太大,但对于活人来讲这是决定生死命运的关键。我国冒如此大的风险进行弹跳返回试验,也是想利用我们对于神舟飞船气动结构的透彻理解来验证载人登月返回的可行性,相信本次实验中所得到的数据,也会对未来进行载人登月返回的研究产生深远的影响。

长征3号丙改2型运载火箭的“首秀”,其应用了包括长征2号F运载火箭的助推器在内的很多成熟技术,运载能力有所提高。未来长征3号系列运载火箭凭借其高可靠性,还将在卫星发射中承担重要任务。  长征3号丙改2型运载火箭的“首秀”,其应用了包括长征2号F运载火箭的助推器在内的很多成熟技术,运载能力有所提高。未来长征3号系列运载火箭凭借其高可靠性,还将在卫星发射中承担重要任务。

  让我们把视线拉回到返回器着陆之前。当返回器与服务舱分离之后。服务舱仍然在月地转移轨道上飞速航行,这枚基于东方红3号(嫦娥2号)卫星平台改装的试验飞行器没有跟随返回器一起坠入大气层,而是出色地进行轨道机动,将近地点拉到300余公里。下一步,它将继续在地月之间穿梭,航行到地月拉格朗日L2点附近的轨道进行下一步科学考察,为三年后的嫦娥五号继续探路。服务舱的拓展任务不在本次飞行的考核范围内,算是一道“附加题”。也就是说说,即使服务舱未能完成很多扩展任务,返回器的成功着陆和服务舱的成功变轨就宣告了本次试验器所有正式任务全部获得成功。

  不同于某航天强国竭力扶持私营航天导致最近事故频发,也不同于某些航天后起之秀在技术尚未成熟时就自吹自擂,中国航天业界不追求虚名,而是按照自己既定的路线向前发展。

  近十年,我国先后完善并改进了长征二号F火箭、长征三号甲系列火箭、东方红三号和东方红四号卫星平台。这些产品虽仍然使用原编号,但技术状态却和原型型号有了天壤之别。我国航天的发展速度看似不如某些国家快(印度去年曾成功发射火星探测器),但经常有一次任务当多次任务用的情况发生,这也说明了我国研发体系的成熟度和任务设计的科学性在逐渐提高。

  如前文所述,我国很多技术创新是在原有技术基础上改进。“缩小版神舟”——嫦娥返回器就是最好的例证。正是这些有明确指向性和可靠性的创新,才保证了我国航天任务的成功率。也创造了那么多让人意想不到的惊喜。这些技术改进,虽然看起来是“小碎步”,但正是这些“跬步”,奠定了日后技术腾飞的基础!

  四年前的嫦娥二号,超期服役三年有余,完成多项任务后仍在奔向深空,如今距离地球已经有一亿千米,成为中国飞得最远的飞行器,给大家留下深刻印象。我们有理由相信,本次嫦娥5号T1的服务舱也能超额完成各项科研任务,为我国航天事业争光添彩。我们更有理由相信,未来的嫦娥5号可以按既定计划完成无人采样返回。虽然我国载人登月计划尚未立项,但基于目前进展,我觉得在可以预见的将来,月球上一定会出现我们中国航天员的英姿!(作者署名:谭骁天 纽约大学生化工程系)

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(编辑:SN118)

文章关键词: 中国 飞行器 航天 火箭 返回轨道 神舟飞船

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