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地球,地球,我要回家!

  • 发布时间:2014-10-31 04:03:25  来源:经济日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  “地球,地球,我要回家!”如果再入返回飞行试验器能说话,这就是它现在的台词。

  作为嫦娥五号的探路者,再入返回飞行试验器经历了地月转移、月球近旁转向、月地转移数个关键节点,目前正向着地球回归。当它返回地球附近后,会再入大气层,直至落地,这是它最后也是最关键的一段旅程。围绕其在返回地球过程中将经历的挑战,《经济日报》记者采访了数位专家。

  天定之旅也是逃生小路

  11月1日凌晨,再入返回飞行试验器将踏上最后一段归途。

  在航天科技集团飞行试验器副总设计师彭兢看来,这是一个早已注定的时间。“返回那天如果落地区域天气糟糕,会对搜寻返回舱产生不利影响。但返回时间是月球这些天体决定的,24日发射之后,就决定了它只能在11月1日回来。”

  时间被确定,是因为轨道被确定。本次实验使用高精度绕月自由转移轨道,这是我国第一次使用该轨道。“试验器要模拟嫦娥五号的条件返回,其发射轨道和返回轨道差异很大,并要在接近第二宇宙速度的情况下返回地球。如何实现这样的变化?我们巧妙地借用月球引力,做出改变。否则需要消耗大量的自身燃料,耗费太大。”探月工程测控与回收系统副总师周建亮说。

  最后的返回轨道又是如何确定的?

  飞行试验器轨道主管设计师汪永生说:“经过大量计算精心挑选合适窗口,这是一个难点。飞行器再入地球大气层时对精度要求非常高。如果把地球比作一个篮球,只有一张薄纸那样的缝隙才能让飞行器安全飞入。”

  正负各0.2度,这就是飞行器再入角所能允许的误差范围。北京航天飞控中心总体室副主任吴风雷说,飞行器上的测控天线过去是装在固定对着太阳方向的正X轴,这次却因任务需要装在指向变化多端的Z轴上,增加了测控难度。但从目前情况看,飞行器的轨道被控制得很精准。“为了高精度瞄准再入角,原来预设了6次中途修正。现在第3和第4次轨道修正已经取消,目前轨道非常接近最终目标轨道,需要的调整很微小,我们就把它合并到第5次修正中一起做。”吴风雷说。

  万里刹车只为千倍减速

  我国并不是第一次让飞行器从宇宙间返回地球。然而,以往的神舟飞船返回舱是从近地太空轨道返回,飞行器进入大气层时的初始速度只在7.9公里/秒的第一宇宙速度量级。本次飞行器是从月球返回,在返回地球大气层时,会接近11.2公里/秒的第二宇宙速度。此外,受发射时火箭动力限制,探月返回舱个头也只有神舟飞船返回舱的1/8。这就导致探月返回舱不能像后者那样携带大量燃料,必须主要依靠气动阻力实现减速。

  速度快,个头小,让探月工程的返回舱不得不尽量减肥、超长距离刹车,并且需要更快更精准的测控。

  与距离地面120公里的地球大气层接触后,返回舱的归途还有近7000公里,而过去的载人航天返程一般是1000多公里。周建亮对此有一个生动比喻:“高速跑车和拖拉机的刹车距离是不一样的。”

  彭兢说:“返回舱330公斤,里头有很多设备,过去的成熟产品都偏重偏大。我们做了大量的减肥工作,俗称黑匣子的数据记录仪器就从6公斤减到了1公斤以下。”

  这样减肥,也只让返回舱装载了13公斤燃料,够做姿态调整却难以主动减速。因此,返回舱进入地球大气层时是否能精确飞入对再入角有严苛要求的返回走廊,就成为任务成败的关键因素。

  这个任务由服务舱完成。飞行试验器服务舱GNC副总师王晓磊表示,服务舱要负责供电、供暖、刹车,在跟返回器分离之后,携带着相机的服务舱还要拍摄长达3分钟的分离视频,之后才启动发动机,重新拉起,在大气层转弯,飞回外层空间。

  在飞行器的8天航程中,主要是服务舱带着返回舱在跑,只在最后1小时,在距离地面高度约5000公里处,服务舱和返回舱分离,并将返回舱打入预定轨道。“这对服务舱的精准量要求很高。相当于在1万多公里外,瞄准精度要达到一两公里。”飞行试验器返回器GNC副总师王勇说,分离之后,返回舱飞落到达距离地面120公里高度的大气层,要在近7000公里的最后一段航程中,通过与地球大气的剧烈摩擦,将速度从最快10.66公里每秒降下来,最后要通过降落伞把返回器速度减少到10米每秒的量级落地。

  锦囊妙计应对黑障断联

  与地面垂直高度从120公里降到零,地理跨度要达到近7000公里,最后落地范围要精确到着陆场能及时回收。返回舱的最后一段航程,每一秒都将惊心动魄。

  本次试验将采用一种特殊的“半弹道跳跃式再入”方式返回地球,返回舱第一次进入大气层时先跃起,经过一段时间飞行后再次进入大气层,之后返回地球。周建亮说,返回舱进入大气层时,会出现一个通讯中断的黑障阶段。“这次是跳跃式返回,两次入大气层会出现两次黑障,第一次160多秒,第二次约2分钟。”

  返回舱如何才能安全度过黑障?“我们在此之前,已经发出控制数据,这是一个延迟指令,类似于锦囊妙计,返回器在黑障内的预定时间开启该指令,据此调整姿态。”周建亮说。

  再入阶段,返回舱表面将达到2000多摄氏度的高温,返回舱内的各种仪器却必须维持在合适温度,这对热控技术提出更高要求。据试验器热控分系统主任设计师宁献文介绍,这次试验还首次用上了国产的宇航级环路热管。

  这一阶段,返回舱将为未来的嫦娥五号取得很多宝贵的实验数据,这是地面实验无法获得的。“地面风洞试验只能做到5-10马赫(1马赫=1倍音速),而飞行器进入大气层的实际初始速度是35马赫,地面试验无法验证。”王勇说,返回舱进入大气层后会受到什么力、力的大小如何都很难预估,必须根据大气密度、气动参数等实时辨识结果进行计算,并快速返回修正参数,这是控制中最难的地方。

  周建亮说,我国“远望”号测量船队、国内外陆基测控站以及北京飞行控制中心和西安卫星测控中心共同组成航天测控通信网,为任务提供持续跟踪、测量与控制。“但是,在近低空,一个地面站只能跟几分钟。在返回时实现无缝覆盖很难,只能在第一次再入、第二次再入、返回着陆场等关键点进行跟踪。”

  短短8天的再入返回飞行试验即将迎来它最后的谢幕演出,人们期待着,这个嫦娥5号的探路尖兵,能以最完美的姿态回家!

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