嫦娥五号试验星计划浮出水面

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嫦娥五号想象图

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由于嫦娥三号工程目标的圆满实现,嫦娥四号的改进方向从单纯的备份+任务拓展发展为验证嫦娥五号部分关键技术,嫦娥四号已蜕变成为嫦娥三期先导星。但嫦娥三期的技术验证飞行器显然不止一个。

早在2013年两会期间,嫦娥五号总设计师/总指挥顾问叶培建院士公开表示,由于嫦娥三期技术难度更大,国家计划在嫦娥五号发射之前做一次试验,主要试验怎么飞到月球和怎么从月球回来,可以叫做“嫦娥五号的试验器”。3月14日,新华社国际版刊登了一篇名为《Lunar mission:craft to conduct re-entry tests before 2015(月球任务:2015年前进行再入试验)》的报道,探月工程副总设计师兼探月工程三期总设计师胡浩在报道中明确表示该“试验器”将由嫦娥二号的卫星平台(东方红三号卫星平台)+嫦娥五号的返回舱共同构成。同时还提到了嫦娥五号返回舱将以接近11.2千米/秒(第二宇宙速度)的速度返回地球。这也是目前为止唯一一则提到“试验器”构型方案的报道。此后的9个月里,各大媒体都把注意力放在嫦娥三号任务上,这个为嫦娥五号打前站的探路者似乎被人们遗忘了。直到2013年12月24日,叶培建院士在华师附中的科普讲座中再次谈到要在嫦娥五号之前发射一个带有嫦娥五号返回舱的“试验器”,绕过月球再返回地球,以获得10.7千米/秒的再入速度并验证嫦娥五号的轨道设计。讲座中还明确提到嫦娥五号将采用“跳跃式再入”的方式返回地面。

综合上述信息我们可以得出,这个“试验器”负责验证奔月/离月程序和高速再入技术,绕月轨道自主交会对接和落月后的一系列工程应用均不在验证范围。下面我们就从“试验器”几个主要方面展开讨论。

构型

从公开报道得知,“试验器”采取了“轨道器+返回舱”构型,可以看作是两舱构型飞船的缩小版。结合其所要执行的绕月飞行任务,很容易让人联想到苏联的zond-5(中译:探测器)绕月飞船。该系列飞船基本可以看作是去掉轨道舱的“联盟”飞船。

从目前极为有限的公开图片可以看出,嫦娥五号的返回舱相当于缩小版的神舟返回舱。这恐怕不只是外形上的巧合。由于我国第一代载人飞船直接采用了与“联盟”飞船相似的钟形设计,嫦娥五号返回舱沿用这一成熟设计也在意料之中。此外,嫦娥五号虽然是无人取样探测器,其构型设计却与阿波罗登月飞船一样,而和苏联的Luna系列取样返回探测器有所区别(苏联人不搞在轨对接,而是直接让上升器进入月地转移轨道)。这不禁让人联想到嫦娥三期有验证未来载人登月飞船构型的工程目的,而这个构型中的轨道器和返回舱或将直接由“神舟”载人飞船改进而来,这样也可以缩短研制周期,在短时间内解决我国载人登月的有无问题。

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“试验器”采用了轨道舱+返回舱的构型,不论是构型还是任务特点都与苏联的zond系列绕月飞船如出一辙。

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嫦娥五号的返回舱基本上就是缩比神舟返回舱。

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嫦娥五号的返回舱基本上就是缩比神舟返回舱。

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嫦娥五号由轨道器+返回舱和着陆器+上升器两个组合构成,相当于无人版阿波罗。

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苏联的采样返回月球探测器luna系列没有轨道舱,上升器将直接进入月地转移轨道返回地球。

轨道设计

“试验器”有可能采用以下两种飞行模式。

1.“试验器”被火箭直接送入地月转移轨道,中途经过轨道修正后进入绕月轨道——轨道平面和高度都与嫦娥五号绕月轨道一致,在绕月飞行数圈后进行变轨机动进入月地转移轨道返回地球。这基本上就是嫦娥五号的轨道器实际飞行程序了。这样不但得到了足够的再入速度以验证防热结构,还最大程度上让地面控制人员演练了嫦娥五号轨道飞行阶段的控制、操作。

2.“试验器”到达月球即返回,不进入绕月轨道。这就是一条飞掠轨道,只有地月转移段和月地转移段接近嫦娥五号的设计轨道,还可以用来检验未来载人登月任务近月制动失败后的故障返回模式。前苏联的“探测器”5号就采用了类似的一条飞掠轨道,在绕过月球后直接返回地球。

为什么非要把“试验器”打到一个地月轨道而非同等高度的大椭圆轨道来获得再入速度呢?大椭圆轨道也可以通过变轨模拟绕月轨道返回和飞掠返回。笔者认为,地月轨道的主要优点在于模拟更真实的轨道环境。探月任务本身就是一道三体运动应用题,月球的质量虽然只有地球的1/81,但其引力相对于近月航天器同样不可忽视,需要综合考虑地、月、探测器三者相互运动的关系。众所周知的是,世界上至今对“三体问题”还没有研究出一个可用的分析解。但从工程的角度来说,精确的分析解并非是必要的,只要能够获得足够精确的数值解就可以。在月球探测器飞行轨道的设计中,经常采用一种近似的分析方法,称为“圆锥截线拼接法”。在探测器飞离地球的很长一段时间内,探测器所受的力主要是地球的引力,它的飞行轨道与不考虑月球引力的轨道相差不大,这一段的轨道可以用二体问题的解来近似。当探测器飞到月球附近时,月球的引力变成主要的作用力,这时我们又可以把探测器的运动近似地看作是在月球引力场中运动的二体问题。这两个不同区域的分界面是以月球为中心,半径约为66400千米的圆球的球面,天文学上称这个球形区域为月球的影响球。把这两段轨道在影响球的球面接起来,就可以得到一条近似的从地球飞向月球的轨道。前面的地球卫星轨道段一般是大椭圆轨道(也可以是抛物线或双曲线轨道),月球影响球内的一段是以月球为焦点的双曲线轨道。椭圆、抛物线、双曲线统称为圆锥截线,所以把这种方法称为圆锥截线拼接法。

如果只打大椭圆轨道,就变成了地球和探测器的二体问题,无法验证探测器在月球引力范围内的控制规律。此外,这样的发射也可以增加一次演练多窗口、窄宽度发射模式的机会,既增强整个探月系统的协调性和稳定性,也保持了队伍状态。

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典型的地月轨道

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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。

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“跳跃式再入”的轨迹

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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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