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2020年12月18日 星期

返回器如何回家
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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1.2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。

“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。

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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。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。

据《北京日报》


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