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院科研团队为嫦娥五号回家提供“通关密码”
2021-01-05

20201217日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品成功着陆内蒙古四子王旗预定区域,我国首次地外天体无人采样返回任务获得圆满成功。

嫦娥五号是我国航天史上最复杂、技术难度最大的一次任务,它的成功标志着探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,是全体航天人向党中央和全国人民交出的一份出色答卷。这份出色答卷里,有着我院气动科研团队贡献的关键一笔。为积极配合航天科技集团五院(以下简称“五院”)探测器总体,确保高效高质量完成嫦娥五号返回器气动力、气动热和防热领域的科研任务,早在2011年探月三期工程立项之初,我院便组建了近50人的探月三期工程科研组织管理和技术攻关队伍,他们每个人都是“嫦娥五号”团队的一员。

很骄傲,我们的气动研究发挥了重要作用

近地轨道航天器再入返回大气层时,速度通常为每秒约7.9公里的第一宇宙速度;而嫦娥五号以接近每秒11.2公里的第二宇宙速度返回地球,每秒3公里多的速度差,带来的冲击力大不相同,可谓是一场“冒险”。为减轻超高速给结构和防热系统带来的压力,嫦娥五号返回器采取了“半弹道跳跃式再入返回”方案——以第二宇宙速度进入地球大气层飞行过程中,通过GNC喷流控制返回器姿态,使其在气动升力作用下,再次跃出大气层,到达最高点后滑行下降,最终以第一宇宙速度第二次再入大气层减速降落并最终实现回收。这一过程就像在太空“打水漂”。

“嫦娥五号能否成功打出一个漂亮的‘水漂’,关键在于气动技术研究工作的全面性和准确性。”五院总体部设计师李齐介绍,相比近地轨道航天器返回,嫦娥五号面临的气动问题更加复杂。

我院参与了所有与嫦娥五号返回器相关的气动外形、气动力、气动热的分析、计算、试验,以及防热的机理分析、温度场计算、材料考核和结构考核,首次建立第二宇宙速度下超高速再入返回过程黑障区的高精度预测技术,完成返回器外形的全速域气动特性计算分析与评估,系统提出高空跨流域气动力高精度预测技术,为嫦娥五号的气动方法研究和返回器总体设计提供气动数据,也为后续的火星探测及载人登月任务提供技术储备。

 2013年和2015年,院分别获得国防科工局颁发的“探月工程三期关键技术攻关和方案研制优秀单位”和“探月工程三期再入返回飞行试验任务突出贡献单位”。

“我们就像嫦娥五号的一个分系统,自2011年起,仅五院发来的任务书就收到了几十份。”提到院气动团队承担的工作,时任我院探月三期工程总师的程晓丽语气中难掩骄傲,“提供的所有数据都被采用了,嫦娥五号的成功返回是对院气动服务能力的最好证明。”

想,都是困难;干,才有出路

高温是嫦娥五号返回途中的一道难关。仔细观察嫦娥五号返回器会发现,返回器大底和侧面变得黝黑,这是由于穿越大气层时经过高温烧蚀而致。返回过程中,返回器外气流温度可达到10000摄氏度,而返回器内部温度不能超过适于月壤的温度。如何使器内温度稳定而平均,确保嫦娥五号热防护系统稳定可用,将月壤安全带回家?防热成为必须攻克的难题。

作为嫦娥五号热防护系统的“模拟考官”,我院科研团队承担了嫦娥系列探测器热防护系统的考核验证任务。针对不同防热材料和结构热环境特点,经过近四年的集智攻关,完成国内首次第二宇宙速度再入条件下气动加热机理分析,建立国际首个碳硅基复合材料在高焓高峰值热流加热环境、多物理化学机制作用下的烧蚀模型,突破可同时考虑表面热解烧蚀、内部壁面辐射传热的复杂形状结构件三维温度分布预测技术,为嫦娥五号的防热系统设计和验证立下汗马功劳。

从材料筛选到各种试验结构件的验收,我院科研团队共进行了超过2000次的防热烧蚀试验,完成600余件试验件的防热考核验证,成功获取一批批精准的试验数据,确保了嫦娥五号热防护系统稳定可用。

相比于前期的嫦娥一号到嫦娥四号,嫦娥五号的结构更为复杂,而且携带着多种任务载荷,其防热系统需进行轻量化改进,这对地面热防护实验精度提出了更高要求。防热任务的复杂性和艰巨性可想而知。

“团队是如何克服困难的?”

听到这个问题,程晓丽笑了笑:“就是干呗!”

大道至简,实干为先。一个“干”字,体现着航天气动人履行建设航天强国使命的决心,胜过所有豪言壮语。

这是团队高度团结取得的成果

嫦娥五号任务圆满成功是发挥新型举国体制优势攻坚克难取得的又一重大成就,技术的每一次突破、工程的每一步跨越,都是团结协作的结果。

院高度重视嫦娥五号的气动科研任务,第一时间设立重大专项科研领导小组和专家顾问组,建成院探月三期科研总指挥、总设计师系统,选优配强组织管理和攻关队伍,提供最及时有力的保障。“只要项目有需求,所有条件都会跟上。”程晓丽表示,院的支持是任务顺利开展的定心丸。

预测、试验、分析、改进、再试验……气动研制的周期一般比较长,但时间紧凑,为了在规定节点完成工作,所有人高度配合,不惜加班加点,老同志指导年轻人干,年轻人主动干,群策群力一起干。“程老师,你说咋干,我就咋干。”程晓丽回忆道,“没有人计较报酬,大家想的都是怎么把任务完成好。”

院科研团队共同书写了那段齐心协力的时光,用实际行动诠释彰显了“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”的探月精神。

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