嫦娥五号试验星计划浮出水面

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典型的地月轨道

嫦娥五号试验星计划浮出水面

椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道

再入技术

按照叶院士的介绍,“试验器”飞行到距离地球5000千米左右的空间实施轨道调整。之后轨道器和返回舱分离,此时返回舱的速度已降到小于第二宇宙速度的10.7千米/秒。如果调整失败,探测器将会跟地球擦肩而过成为一颗人造太阳卫星。返回舱采用“跳跃式再入”,当返回舱下降至距地面60千米高度时通过调整再入迎角再度弹回太空,然后第二次再入并通过伞降方式返回地面。

“跳跃式再入(skip entry)”并非什么新奇概念,美苏在探月任务中都曾用到这种再入方式。由于预定着陆场的天气不佳,“阿波罗”11号做了一个“准跳跃式再入”,使得落区向前延伸了2700千米。一个标准跳跃式再入包含一段二次大气层外滑翔的过程,“阿波罗”11号虽然在再入后有一个拉起动作,但并没有出大气层,因此它有个专门的名字叫double-dip entry。只有在再入路径超过3000km时“阿波罗”飞船返回舱才需要进行跳跃式再入。而苏联则是在“探测器”5号因100K星敏感器故障导致返回舱弹道式再入并溅落到印度洋后,于“探测器”6号任务中首次实现了跳跃式再入。这种再入方式不但将再入过载减小到人体可以承受的4~7g,还成功的延长了再入飞行路径,实现了在苏联境内回收返回舱的计划。

采用“跳跃式再入”主要出于两点考虑:1.如果直接采用弹道式再入,返回舱的再入迎角过大,会导致高过载(苏联“探测器”5号的返回舱再入过载高达十几g)和高热流,不仅对返回舱的结构强度和防热层提出更高要求,更超出了人类的过载承受能力。即使是不考虑人员过载限制的无人探测器,由于火箭运载能力的限制,返回舱不可能随着再入速度的增加一味的增大、增重,这就需要一个满足上述条件约束的返回方案。采用“跳跃式再入”可以拉长再入距离,减小过载和总热流。可以满足现有设计的再入要求。2.在选择嫦娥五号主着陆场时,叶培建院士曾提到西南地区是最优选择,“但西南多山区,担心嫦娥五号带回的样品难以寻找,所以最终选择落在北部草原地区,但要为此进行更多技术攻关。”这个攻关是多方面的,其中之一就是对返回路径的重新规划,由于着陆场的变更,返回舱需要走更远的路才能着陆,而“跳跃式再入”恰恰可以延长再入路径,使返回舱落到中国北部草原。此外,如果主着陆场遭遇天气突变,需要临时调整着陆场。也可以通过这种再入方式调节再入路径,让返回舱落到备用着陆场。

即便采取了特殊的再入方式来降低返回舱的设计难度,但远高于近地轨道的再入速度依然会带来很多问题。再入初期,由于飞船防热层与大气粒子的强烈作用,不但会有气动加热,还会有辐射加热。这两种加热方式的比例随飞行器的速度和高度而变化。速度较低时,气动加热是主要的,当飞行速度高于9千米/秒时,头部激波层气体变成对飞行器加热的强辐射体,辐射加热随着速度的增加逐渐变得重要起来。辐射加热的主要机制是再入飞行器由于高速再入,头部形成高温激波层,对返回舱形成辐射加热。如何减小这种额外的加热量,就需要在防热层材料成分的配比上加以考虑。

嫦娥五号试验星计划浮出水面

“跳跃式再入”的轨迹

嫦娥五号试验星计划浮出水面

阿波罗11号的准跳跃式再入

发射时间

关于这颗“试验器”的发射日期,在前文引述的新华社英文报道中,探月工程三期总设计师胡浩曾提到在2015年前实施发射。由于2013年只进行了嫦娥三号的发射,我们现在可以确定这颗“试验器”将于2014年发射。叶培建院士所做的讲座中也明确提到“今年嫦娥三号落月,明年大家可以看到它(试验器)绕过月亮再飞回中国。”

发射载具

如果这个“试验器”的最终方案采用了胡浩总师所说的构型,鉴于嫦娥二号卫星所采用的东方红二号平台自重达2320千克,再加上一个质量不轻的返回舱,直接打地月转移轨道恐怕已超出长征三号丙的运载能力,笔者猜测会用到长征三号乙基本型运载火箭。

名字

截止笔者发稿前,航天部门仍未公布这个神秘探路者的名称。笔者根据我国航天器命名习惯,得出两种命名可能:1.“试验器”未被编入嫦娥序列中,考虑到该航天器属于技术验证航天器,有可能被编入“实践”卫星的序列中;2.我国历史上曾出现过“搭车”命名的情况。1977年,航天部门在“风暴一号”运载火箭发射“实践二号”空间科学卫星的基础上提出再加两颗卫星,实现一箭多星发射。当时“实践二号”已进入初样,而另两颗卫星才刚刚开始研制,显然不是一路人。但后者还是被分别命名为“实践二号甲”和“实践二号乙”。“试验器”虽然不会和“嫦娥四号”挤在一个整流罩里奔月,但他们都是嫦娥三期先导星,有可能被赋予“嫦娥四号甲”这样的名称。

意义

美苏两国作为第一批吃螃蟹的人,对载人探月还是很谨慎的。从“探测器”5号到“探测器” 8号,苏联人共进行了四次无人绕月飞船发射,飞船上携带了海龟、细菌、植物种子、果蝇,选用这些小动物,以检测地月空间中的辐射和其他一些潜在因素是否有可能对人体产生危害。而美国则先后实施了两次载人绕月任务“阿波罗”8号和10号,前者是不带登月舱的绕月飞行任务,在绕月10圈后返回地球;后者则首次以全系统状态验证了除登月操作之外所有的探月程序并顺利返回。美国在“阿波罗”11号任务前共计进行了7次不同状态的轨道飞行,待跑通整个操作、测控流程后才实施了“阿波罗”11号载人登月探测任务。

由此可见,美苏均把绕月飞行看做是正式登月前的练兵;从载人登月任务流程上讲,绕月飞行还可以看作登月任务故障模式——如果载人登月飞船近月制动失败,飞船将绕过月球直接返回地球。

笔者认为,我国实际上是把美苏的载人飞船绕月飞行提前到了无人探月阶段实施,免去了专门发射“神舟”飞船实施绕月验证飞行。这样就用较小的成本、较少的发射次数达到了同样的目的。这样既保持了嫦娥工程的技术连贯性和继承性,也符合中国航天界一直强调的低成本、高质量、高回报的航天发展模式。

尾声

到目前为止,大家对这个“试验器”的工程进度还一无所知,外界甚至连“试验器”的名字都不知道。考虑到2014年就要发射,目前应该处在正样产品总装的尾声或者是出厂前测试的阶段。

文:米格

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