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嫦娥五号返回器32马赫高速再入,力抗上万度高温.

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发表于 2020-12-16 21:14:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
嫦娥五号返回器32马赫高速再入,力抗上万度高温. 长知识, 无人采样器直接对标载人要求, 美国不具备这一能力
来源: 向大洋于 2020-12-16 16:49:01 [档案] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 49 次 (20999 bytes)
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公元2020年12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号月球采样返回器成功着陆于内蒙古四子王旗主着陆场,地面搜索分队在6次落点预报导引下顺利找到返回器。至此,我国首次月球无人采样返回任务迎来了史诗般的伟大胜利。
嫦娥五号返回器成功着陆地球(红外成像画面)自发射以来的23天任务时间里嫦娥五号可谓是过五关斩六将,完美无瑕地闯过了全部11道艰难险关,在此次任务中我们连续攻克了大吨位航天器地月转移轨道入射、机械臂与钻机联合月面采样、地外天体样品封装、地外天体发射、人类首次无人月球轨道自动交会对接等一系列核心技术能力。
奠基嫦娥五号取得伟大胜利的最后一关则是第二宇宙速度高速半弹道跳跃式再入返回,这一殿堂级技术。
嫦娥五号返回器实拍画面
纵观嫦娥五号整个任务流程,它一直处于“断舍离”的状态中:长征五号遥五发射入轨“器箭分离”,进入绕月轨道后轨道器/返回器组合体与着陆器/上升器组合体分离,完成月面采样后上升器起飞与着陆器分离,实施月球轨道自动交会对接完成样品转移后,上升器/对接机构与轨道器/返回器组合体分离,进入月地转移轨道后在距离地球数千公里处返回器与轨道器分离。
嫦娥五号的“断舍离”
一个八吨多重的大家伙最终只有返回器这个重量仅有300多公斤的小家伙回到地球,而它就是我们胜利的见证。
“高速半弹道跳跃式再入返回技术”就是确保小家伙能够回到地球的“太空船票”,为了拿下这一技术我们早在六年前就专门发射了一颗验证探测器“嫦娥五号T1”。
嫦娥五号T1试验器
当年嫦娥五号T1由长征三号丙运载火箭发射至近地点219公里、远地点41.3万公里的地月转移轨道,随后在距离月球约6万公里处实施月旁转向,尔后进入月地转移返回轨道,并在距离地球约5000公里处释放返回器,在此次任务中我们全面掌握了具有国际领先水平的“太空打水漂”式再入返回技术。
那么,何为“太空打水漂”?返回器浑身上下几乎没有可动舵面,它又如何精准操控呢?
嫦娥五号返回器
嫦娥五号返回器与轨道舱分离后独自高速飞向第一次再入点,它将以较小的再入角度再入大气层,此时速度约为32马赫,尔后经历第一次黑障,出黑障后抵达距离地面约60公里高度基于升力作用再次反弹回宇宙空间,经过一段滑行后二次再入大气层,这就是“太空打水漂(高速半弹道跳跃式再入返回)”。
太空打水漂相较于传统半弹道式的再入行程会延长很多,整个再入行程预计在5100至7000公里,随着距离的增加也不可避免地对落点精度产生影响,此时就需要精准的控制技术。
79fc1fad2efa4e51a39277889f9856ac.jpg 高速半弹道跳跃式再入返回轨迹
嫦娥五号返回器充分继承嫦娥五号T1方案设计,采用的是球冠钟形体构型,二者顶部都有两片稳定翼,该装置结合钟形体构型可以确保返回器拥有唯一稳定配平点。有了这个唯一的“配平点”意味着返回器即便遭遇动力失效或者姿态失稳等故障,最终都能自动配平恢复至预设姿态,进而飞回着陆场。
看似简单的稳定翼实际上设计难度非常大,需要通过大量的风洞吹风测试以及验证试验才能得出最优设计结果,联盟系列飞船曾经用了整整十年才最终确定稳定翼气动外形与安装位置。
右侧两片凸出结构就是稳定翼
除了稳定翼,嫦娥五号返回器还配置有12台RCS姿控发动机辅助配平,姿控动力在不同高度层不同速域环境下的喷射效果也有不同,因此还需要加码质心盒辅助配平。
嫦娥五号返回器RCS姿控动力系统
返回器从设计之初就需要精密计算结构质量,再入过程中防热材料的高温烧蚀会改变飞船质心,加上采样样品重量的不确定性对质心也有影响,此时就需要质心盒及时准确地调整控制质心,进而实现返回器的精确操控。
返回器精确操控还有一个大前提,就是初始入射轨道精度,当轨返组合体从遥远的38万公里外踏上归途的第一步开始就已经影响着返回器的最终归宿,为此测控团队为它准备了一系列轨道精度保证措施。
嫦娥五号月地转移轨控流程
在轨返组合体整个月地转移飞行过程中,先是进行两次月地转移轨道入射,专门设计用小推力发动机长程工作确保探测器不出现大的振动,以利于入射轨道精度的保持,此后又进行了两次轨道中途修正,这才有了嫦娥五号返回器实施太空打水漂的完美起跑线。
话说,为什么嫦娥五号一定要用如此复杂的太空打水漂操作呢?答案只有一个,因为我们的梦想是星辰大海。
回顾历史,阿波罗载人登月虽然也宣称采用了高速半弹道跳跃式再入返回技术,但实际上返回舱跳跃最高点也没能突破80公里,更不用说进入太空自由飞,其目的只是单纯为了将半弹道式再入的17个g过载降低至7个g,唯有如此宇航员才能经受得住。NASA由于迟迟无法突破真正意义上的高速半弹道跳跃式再入返回技术,以致于起源号、星尘号两个探测器不得不以弹道式轨迹再入大气层,产生的过载高达32g,巨大过载对探测器各系统工况稳定性提出了极为苛刻的要求,起源号就是因为重力开关装置故障导致减速伞没能及时打开,进而直接撞毁于地面。
撞毁于地面的起源号返回舱
连NASA都没有的技术日本自然也是没有,隼鸟号、隼鸟二号两艘小行星探测器使用的也都是最传统的弹道式再入方案,并不具备载人应用前景。
另一个应用高速半弹道跳跃式再入返回技术的是苏联旨在用于载人绕月任务Zond系列无人飞船,该飞船起跳高度太低跳跃高度又太高,安全性不能保障,随着登月竞赛落幕该系列飞船也被尘封在历史的档案中没有了下文。
嫦娥五号太空打水漂模拟动画
嫦娥五号返回器应用的高速半弹道跳跃式再入返回方案才是真正的未来技术,可以有效兼容解决力载荷与热载荷问题,其再入最大过载不超过4.8g,仅比近地轨道运行的神舟飞船略高,远小于阿波罗飞船7g过载,也就是说嫦娥五号虽然是无人采样器,但核心数据直接对标载人要求。
月球、小行星、火星等地外天体再入返回地球的航天器通常都要经受3000摄氏度高温烧蚀,返回器大底前端气流甚至可以加热到1万摄氏度以上,高速半弹道跳跃式返回可以有效缓解防热压力,减少防热材料使用量,降低返回器结构重量,增大内部空间,其第一次小角度再入热流烧蚀温度远比直接再入低得多,二次再入时与近地轨道飞船无异。
嫦娥五号返回器大底前端气流温度超过1万摄氏度
嫦娥五号返回器根据实际热流烧蚀情况采用全烧蚀防热设计,内部为金属结构外部胶结防热材料,针对大底迎风面、大底背风面、大底拐角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与防热环、稳定翼使用了7种不同密度的新研型号防热材料,能够有效抵御第二宇宙速度条件下的热流烧蚀。
返回器原本就有两片稳定翼,为什么着陆后就剩一片了?难道是工作人员拆除的?非也……
嫦娥五号T1返回器
另外一片消失的稳定翼在发挥气动功效的同时也是返回器伞包系统舱门,当返回器抵达海拔10公里左右预定开伞高度后,回收系统发出指令弹射伞舱盖,拉出减速伞包。
嫦娥五号返回器伞舱盖
尔后依次将减速伞与舱盖伞拉直,直到减速伞与舱盖伞分离,此时减速伞首先稳定返回器姿态,并发挥减速作用,再之后减速伞将主伞拉出,尔后主伞与减速伞分离,主伞承担返回器减速工作,直至降落地面。
嫦娥五号伞包系统任务流程
这又是嫦娥五号应用的一套世界领先技术:降落伞与返回器质量比降至2.4%,优于日本隼鸟二号3.2%,以及NASA星尘号4.4%,处于国际领先水平,六年前的嫦娥五T1在国际上首次揭示降落伞尺寸效应原理。
嫦娥五号返回器与神舟载人飞船返回舱乍一看上去十分相似,但内在早已不同,之所以继承神舟返回舱构型主要是出于缩短任务研发周期,增强可靠性两方面考虑。
神舟飞船钟形体返回舱
钟形体返回舱优势前文已经提到是拥有“唯一稳定配平点”,但它也并非没有缺点,其弱点是升阻比偏低,返回再入窗口较窄,这也是嫦娥五号轨返组合体在完成样品转移后停留数天绕月等待的原因之一。
与钟形体返回舱截然不同的是倒锥体返回舱,后者优势是有较高的升阻比,在采用高速半弹道跳跃式再入方案时有更强的机动飞行能力,因此可以收获更多的月地返回窗口,NASA就要求旨在载人重返月球的猎户座载人飞船具备在太阴月中任意时间进行月地转移入射。
六年前就在我们发射嫦娥五T1试验器的同一年,大洋彼岸猎户座飞船指令舱也由德尔塔-4H型火箭发射入轨,任务代号EFT-1,旨在验证接近第二宇宙速度再入热流条件下的防热材料抗烧蚀能力,这是一次不载人的发射任务,甚至连服务舱都没有,最终在德尔塔-4H末级火箭助力下进入距离地球约5800公里的高轨轨道。当时大洋彼岸面对这一消息那是相当激动,他们说,这是自阿波罗计划结束后四十二年来,载人航天器飞到距离地球如此远的太空,是历史性的里程碑,也是新纪元……
说得如此绘声绘色的EFT-1猎户座返回舱仍然没能验证高速半弹道跳跃式再入返回技术,也就是说时至今日他们仍然不具备这一能力。  发射我国新一代载人飞船的长征五号B遥一火箭
当时间进入今年不知道大洋彼岸将作何感想,因为继承嫦娥五号高速半弹道跳跃式再入返回技术衣钵的我国新一代载人飞船试验船已于今年5月5日发射升空。
进入太空后该飞船依靠自主动力在无需地面测控支持下自主变轨至距离地球超过7000公里的高轨轨道,以比猎户座EFT-1更高的速度再入大气层,并成功验证倒锥体构型条件下的高速半弹道跳跃式再入返回能力。
新一代载人飞船舱外相机拍摄画面
同样是无人测试,我们的新飞船不仅配齐了服务舱,轨道高度也更高,而且新飞船研制前后历时仅仅3年,处于同一等级的猎户座飞船发展至今则已超过十年。
新一代载人飞船
得益于高升阻比、易配平等优势倒锥体是当今世界载人飞船发展的新潮流,然而倒锥体也存在多个配平攻角难题,也就是说它不能像钟形体返回舱那样可以始终拥有唯一的配平点,不稳定性劣势突出,这就需要增强RCS姿态控制能力,以及质心控制能力。
双组元无毒无污染RCS姿控动力
为此新一代载人飞船配置了世界最大推力的双组元无毒无污染姿控发动机,最终我们看到新飞船不仅实现了无损着陆,甚至打出了10.8环的高精度落点成绩,这意味着什么?
倒锥体返回舱+服务舱+高速半弹道跳跃式再入返回+高精度落点=世界唯一!
新一代载人飞船返回舱配有大型群伞
更令人兴奋的是,我们不仅硬件能力正在换挡升级,软件建设也跟了上来。为满足嫦娥五号任务需求,一张布局全球建设的空天大网早已张开。
嫦娥五号着陆器与上升器组合体登月后只有48小时工作时间,在此期间要连续完成太阳翼展开、着陆器载荷开机、岩心钻探机钻取采样、钻取封装、四自由度机械臂十几次表取采样、表取封装、月面发射准备、月面发射一系列动作,如果没有深空测控网的连续测控是无法办到的。
嫦娥五号着上组合体月面工作
最初我国只有内陆的喀什与佳木斯两座深空站,地球24小时自转一圈,其中近半数时间不在测控范围内,这是无论如何也满足不了48小时月面连续工作测控需求。
为此早在2014年,我们就选址阿根廷内乌肯省萨帕拉兴建了35米口径深空天线,这是一座集测控、数据传输、长基线干涉测量等多功能于一体的深空测控站,该站已于2017年建成投入使用,由此我国航天深空测控覆盖率提高到了90%,能够有效满足嫦娥五号月面工作需求。
萨帕拉深空测控站
与此同时,为满足嫦娥五号返回器高速半弹道跳跃式再入返回需求,我们在整个再入走廊建设了一连串接力式测控站点。
返回器首先将从大西洋上空实施轨返分离,那里有我们的纳米比亚测控站,该站配置有S/X频段测控设备,在抵达120公里高度一次再入点前非洲肯尼亚还有我们部署的马林迪测控站。

月地返回再入走廊
返回器一次再入时部署在索马里以东海域的远望三号测量船将利用船载雷达和光学设备监视其行踪,并为能否成功起跳提供数据判读支持,布设在卡拉奇与青藏高原的宽波束引导与多波束引导设备将快速捕获首次出黑障的返回器,紧接着还有相控阵雷达参与测量返回器二次再入,然后是飞行末段的一系列测控站点的接力测控。
部署在印度洋的远望三号测量船
如果我们只是为了完成嫦娥五号任务会如此大动干戈地布局全球吗?显然不是。
接下来几年,天宫空间站、天问一号轨道器与巡视器等一系列常态化运营项目将全面铺开,从近地轨道到多颗地外天体同步开弓,空间探测将覆盖极为广袤的深空,这还不包括日常在轨运营的世界第二大规模在轨航天器。
我国深空网国际联网条件下的干涉测量基线组合
后续我们还有嫦娥七号月球极区立体探测、嫦娥六号月球极区采样返回、嫦娥八号验证月面科研站,天问系列任务还有小行星采样返回、主带彗星探测、火星采样返回、木星探测、太阳系边际探测,更重要的是嫦娥五号将拉开载人月球探测工程大幕,这又是一个巨大的增量空间。
嫦娥五号拉开载人月球工程大幕
春江水暖鸭先知,不得不说欧洲人还是有些眼光的。在此次嫦娥五号任务中欧空局分别动用马斯帕洛斯、库鲁两座测控站为地月转移与再入大气层提供测控帮助,此前嫦娥四号任务中的低频射电探测仪、月表中子与辐射剂量探测仪、中性原子探测仪都有欧空局成员的合作身影。
嫦娥四号展开荷兰参研的低频射电探测仪
载人航天领域双方也在就进驻天宫空间站展开合作,曾于2016年、2017年互派航天员进行联合训练,而今我们正在发起国际月面科研站建设倡议,相信他们也不会掉队。
明年天宫空间站在轨组装业务将全面铺开
2020年被誉为中国超级航天年,在这一年当中人类史上最大规模火星探测器天问一号成功发射、某型带翼航天器成功首飞、旨在服务载人月球工程的新一代载人飞船试验船成功首飞、长征五号系列大型运载火箭日趋成熟,最终以嫦娥五号完成史诗级月球探测任务终结人类44年没有更新月壤样本为句号,而放眼更加长远的未来上述这些也只是我们万里长征的第一步。




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