在太空遨游8天后，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)返回器成功返回著陸在內(nèi)蒙古四子王旗回收區(qū)。作為探月工程三部曲中“回”的這部重頭戲，飛行試驗(yàn)器的使命特殊而艱巨：它是我國(guó)首次以接近第二宇宙速度再入返回地球的航天器，首次實(shí)施月地返回任務(wù)，首次實(shí)施半彈道跳躍式高速再入返回，驗(yàn)證返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，驗(yàn)證返回器防熱設(shè)計(jì)，驗(yàn)證半彈道跳躍式再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）技術(shù)以及驗(yàn)證輕小型化回收著陸技術(shù)。從這六大創(chuàng)新點(diǎn)可以看出，此次再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)技術(shù)新、難度大、系統(tǒng)復(fù)雜，給中國(guó)航天科技集團(tuán)公司再入返回飛行試驗(yàn)器研制團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了巨大考驗(yàn)和諸多難關(guān)。

航天人一向不缺乏攻堅(jiān)克難的干勁，在此次任務(wù)中，再入返回飛行試驗(yàn)器研制團(tuán)隊(duì)突破并掌握了一大批核心和關(guān)鍵技術(shù)，取得了一系列驕人的創(chuàng)新成果。

首次從月球“回家”

月地轉(zhuǎn)移飛行在我國(guó)是首次實(shí)施，為保證返回器與服務(wù)艙分離后進(jìn)入預(yù)定的再入走廊，為返回器提供良好的再入飛行過(guò)程初始條件，“需要針對(duì)飛行過(guò)程中的不確定因素，制定月地轉(zhuǎn)移中途修正策略，并實(shí)施精確的軌道控制。”飛行試驗(yàn)器副總師彭兢介紹說(shuō)。

飛行試驗(yàn)器由服務(wù)艙和返回器兩部分組成。服務(wù)艙GNC副總師王曉磊介紹說(shuō)，他們要努力把服務(wù)艙做得如同豪華超級(jí)跑車般，在按照精確軌道飛行后，將返回器這位“大明星”快、準(zhǔn)、穩(wěn)地送到再入返回點(diǎn)，保證其安全返回。

精心設(shè)計(jì)的氣動(dòng)外形

返回器高速再入的氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要考慮高速段的化學(xué)平衡和非平衡效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)和滑移效應(yīng)等復(fù)雜的流動(dòng)效應(yīng)，由此來(lái)優(yōu)化氣動(dòng)外形，使得返回器具有良好的配平特性、升阻特性、穩(wěn)定特性與熱流分布特性。 “高難度動(dòng)作”再入返回

同時(shí)，還需要精確分析再入過(guò)程燒蝕等因素對(duì)氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)偏差的影響，提供一套滿足工程設(shè)計(jì)精度要求的氣動(dòng)力、熱數(shù)據(jù)，作為返回器防熱結(jié)構(gòu)與再入制導(dǎo)控制的設(shè)計(jì)依據(jù)。

“高難度”動(dòng)作再入返回

在飛行試驗(yàn)任務(wù)中，飛行試驗(yàn)器從月球返回時(shí)，返回器以接近第二宇宙速度的高速再入地球大氣，即每秒11.2公里。為滿足返回國(guó)內(nèi)著陸區(qū)的再入航程需求，同時(shí)兼顧返回器氣動(dòng)與防熱、結(jié)構(gòu)與構(gòu)型和載荷等方面的設(shè)計(jì)，此次返回采用半彈道跳躍式再入方式。這種再入方式對(duì)返回器的氣動(dòng)、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、輕小型化回收著陸等技術(shù)提出了更高要求。

這是一系列嚴(yán)苛的要求，彭兢說(shuō)：“不僅需要保證返回器在再入返回過(guò)程中受到氣動(dòng)作用后能夠保持自身穩(wěn)定性，還要保證返回過(guò)程中表面產(chǎn)生2000度以上的熱量不會(huì)傳遞到返回器內(nèi)，同時(shí)GNC控制分系統(tǒng)要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制規(guī)律和具備精密的慣性導(dǎo)航測(cè)量單元，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的大氣活動(dòng)，借助控制系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換返回器姿態(tài)。”

一條最佳的回家路

“縱使大氣環(huán)境有再多的不確定性，返回器都要‘巋然不動(dòng)’，從再入返回點(diǎn)找到一條最佳的回家路。”返回器GNC副總師王勇說(shuō)，由于返回器半彈道跳躍式再入返回過(guò)程速度大、航程長(zhǎng)、高動(dòng)態(tài)、姿態(tài)與彈道耦合強(qiáng)烈、對(duì)控制實(shí)時(shí)性要求高，為此他們采用新的高速再入預(yù)測(cè)校正制導(dǎo)技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用高精度聯(lián)合標(biāo)定技術(shù)，引入輕小型化的高精度導(dǎo)航敏感器，采用高可靠性的再入GNC系統(tǒng)，開展充分的仿真試驗(yàn)，對(duì)高空大氣模型的不確定性、不同高度、速度和燒蝕條件下返回器氣動(dòng)特性的不確定性和風(fēng)修正等因素對(duì)飛行軌跡的影響進(jìn)行分析和驗(yàn)證，確保返回器開傘點(diǎn)滿足高精度落點(diǎn)的要求。

舒服的“臥室”

返回器高速再入地球大氣的熱流密度峰值高、總加熱時(shí)間長(zhǎng)、總加熱量大，其中熱流密度峰值是神舟飛船的近4倍，總加熱時(shí)間是神舟飛船的2倍多。為此，需在神舟飛船、返回式衛(wèi)星和導(dǎo)彈防熱結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上，解決防熱結(jié)構(gòu)耐受高熱流密度峰值、高焓、強(qiáng)氣流沖刷、長(zhǎng)時(shí)間及跳躍式再入環(huán)境的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)滿足防熱結(jié)構(gòu)在飛行過(guò)程中的低溫適應(yīng)性和輕量化設(shè)計(jì)等要求，研制新型防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)。

通俗地說(shuō)，冷了要有暖風(fēng)，熱了要有空調(diào)，氣動(dòng)加熱導(dǎo)致溫度升高時(shí)，還要讓返回器與熱流隔絕。熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師寧獻(xiàn)文介紹說(shuō)，為此次任務(wù)專門研制的異構(gòu)式環(huán)路熱管熱控技術(shù)可以讓返回器在歷時(shí)8天的旅程中成功抵抗溫差高達(dá)幾百度的宇宙環(huán)境和燒蝕環(huán)境，這種可調(diào)節(jié)熱導(dǎo)的“熱開關(guān)”薄厚不一，設(shè)計(jì)人員一改以往做法，通過(guò)尋找最冷最熱點(diǎn)，確保器內(nèi)溫度穩(wěn)定、平均。

再小也要被找到

返回器質(zhì)量、體積和布局等資源十分緊張，與神舟飛船相比，返回器的橫截面積僅為飛船的1/2，質(zhì)量?jī)H為飛船的1/10，因此，飛行試驗(yàn)任務(wù)對(duì)高可靠的輕小型化回收著陸系統(tǒng)提出了更高要求。據(jù)彭兢介紹，返回器的重量只有330kg，為了減輕重量，里面類似飛機(jī)“黑匣子”的儀器，要從近6千克的重量降到1千克。

經(jīng)過(guò)開展設(shè)計(jì)、分析和地面試驗(yàn)等，回收著陸系統(tǒng)要保證配合搜索的信標(biāo)不被破壞，以技術(shù)狀態(tài)正確的關(guān)鍵單機(jī)和設(shè)計(jì)可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)回到家的再入返回飛行試驗(yàn)器。