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院科研團隊為嫦娥五號回家提供“通關密碼”
2021-01-05

20201217日凌晨,嫦娥五號返回器攜帶月球樣品成功著陸內蒙古四子王旗預定區域,我國首次地外天體無人采樣返回任務獲得圓滿成功。

嫦娥五號是我國航天史上最復雜、技術難度最大的一次任務,它的成功標志著探月工程“繞、落、回”三步走圓滿收官,是全體航天人向黨中央和全國人民交出的一份出色答卷。這份出色答卷里,有著我院氣動科研團隊貢獻的關鍵一筆。為積極配合航天科技集團五院(以下簡稱“五院”)探測器總體,確保高效高質量完成嫦娥五號返回器氣動力、氣動熱和防熱領域的科研任務,早在2011年探月三期工程立項之初,我院便組建了近50人的探月三期工程科研組織管理和技術攻關隊伍,他們每個人都是“嫦娥五號”團隊的一員。

很驕傲,我們的氣動研究發揮了重要作用

近地軌道航天器再入返回大氣層時,速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度;而嫦娥五號以接近每秒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,帶來的沖擊力大不相同,可謂是一場“冒險”。為減輕超高速給結構和防熱系統帶來的壓力,嫦娥五號返回器采取了“半彈道跳躍式再入返回”方案——以第二宇宙速度進入地球大氣層飛行過程中,通過GNC噴流控制返回器姿態,使其在氣動升力作用下,再次躍出大氣層,到達最高點后滑行下降,最終以第一宇宙速度第二次再入大氣層減速降落并最終實現回收。這一過程就像在太空“打水漂”。

“嫦娥五號能否成功打出一個漂亮的‘水漂’,關鍵在于氣動技術研究工作的全面性和準確性。”五院總體部設計師李齊介紹,相比近地軌道航天器返回,嫦娥五號面臨的氣動問題更加復雜。

我院參與了所有與嫦娥五號返回器相關的氣動外形、氣動力、氣動熱的分析、計算、試驗,以及防熱的機理分析、溫度場計算、材料考核和結構考核,首次建立第二宇宙速度下超高速再入返回過程黑障區的高精度預測技術,完成返回器外形的全速域氣動特性計算分析與評估,系統提出高空跨流域氣動力高精度預測技術,為嫦娥五號的氣動方法研究和返回器總體設計提供氣動數據,也為后續的火星探測及載人登月任務提供技術儲備。

 2013年和2015年,院分別獲得國防科工局頒發的“探月工程三期關鍵技術攻關和方案研制優秀單位”和“探月工程三期再入返回飛行試驗任務突出貢獻單位”。

“我們就像嫦娥五號的一個分系統,自2011年起,僅五院發來的任務書就收到了幾十份。”提到院氣動團隊承擔的工作,時任我院探月三期工程總師的程曉麗語氣中難掩驕傲,“提供的所有數據都被采用了,嫦娥五號的成功返回是對院氣動服務能力的最好證明。”

想,都是困難;干,才有出路

高溫是嫦娥五號返回途中的一道難關。仔細觀察嫦娥五號返回器會發現,返回器大底和側面變得黝黑,這是由于穿越大氣層時經過高溫燒蝕而致。返回過程中,返回器外氣流溫度可達到10000攝氏度,而返回器內部溫度不能超過適于月壤的溫度。如何使器內溫度穩定而平均,確保嫦娥五號熱防護系統穩定可用,將月壤安全帶回家?防熱成為必須攻克的難題。

作為嫦娥五號熱防護系統的“模擬考官”,我院科研團隊承擔了嫦娥系列探測器熱防護系統的考核驗證任務。針對不同防熱材料和結構熱環境特點,經過近四年的集智攻關,完成國內首次第二宇宙速度再入條件下氣動加熱機理分析,建立國際首個碳硅基復合材料在高焓高峰值熱流加熱環境、多物理化學機制作用下的燒蝕模型,突破可同時考慮表面熱解燒蝕、內部壁面輻射傳熱的復雜形狀結構件三維溫度分布預測技術,為嫦娥五號的防熱系統設計和驗證立下汗馬功勞。

從材料篩選到各種試驗結構件的驗收,我院科研團隊共進行了超過2000次的防熱燒蝕試驗,完成600余件試驗件的防熱考核驗證,成功獲取一批批精準的試驗數據,確保了嫦娥五號熱防護系統穩定可用。

相比于前期的嫦娥一號到嫦娥四號,嫦娥五號的結構更為復雜,而且攜帶著多種任務載荷,其防熱系統需進行輕量化改進,這對地面熱防護實驗精度提出了更高要求。防熱任務的復雜性和艱巨性可想而知。

“團隊是如何克服困難的?”

聽到這個問題,程曉麗笑了笑:“就是干唄!”

大道至簡,實干為先。一個“干”字,體現著航天氣動人履行建設航天強國使命的決心,勝過所有豪言壯語。

這是團隊高度團結取得的成果

嫦娥五號任務圓滿成功是發揮新型舉國體制優勢攻堅克難取得的又一重大成就,技術的每一次突破、工程的每一步跨越,都是團結協作的結果。

院高度重視嫦娥五號的氣動科研任務,第一時間設立重大專項科研領導小組和專家顧問組,建成院探月三期科研總指揮、總設計師系統,選優配強組織管理和攻關隊伍,提供最及時有力的保障。“只要項目有需求,所有條件都會跟上。”程曉麗表示,院的支持是任務順利開展的定心丸。

預測、試驗、分析、改進、再試驗……氣動研制的周期一般比較長,但時間緊湊,為了在規定節點完成工作,所有人高度配合,不惜加班加點,老同志指導年輕人干,年輕人主動干,群策群力一起干。“程老師,你說咋干,我就咋干。”程曉麗回憶道,“沒有人計較報酬,大家想的都是怎么把任務完成好。”

院科研團隊共同書寫了那段齊心協力的時光,用實際行動詮釋彰顯了“追逐夢想、勇于探索、協同攻堅、合作共贏”的探月精神。

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