探月新时代“嫦五”首告捷

北京时间11月1日6时42分，探月三期再入返回飞行试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，标志着我国探月三期再入返回飞行试验获得圆满成功。这是我国继十次牵引神舟飞船返回舱从300多公里的近地空间返回地球后，首次迎来从月球上空返回的飞行器。

2014年11月1日，这一天将被载入中国航天事业发展的史册中。

当日6时42分，探月三期再入返回飞行试验器（即嫦娥五号试验器）返回器经过8天的飞行，以第二宇宙速度顺利返回地球，穿越大气层精确着陆在内蒙古四子王旗预定区域，标志着中国探月三期再入返回飞行试验圆满成功。专家称，此次试验圆满成功，标志着中国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术，为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。

中国探月工程总指挥、国家国防科技工业局局长许达哲表示，这是具有里程碑意义的一次试验，它的成功标志着探月三期无人自动采样返回任务取得突破性进展，大幅提升了我国对高速条件下高空稀薄大气的气动力、气动热、热防护、制导导航与控制等技术机理的认识水平，提高了高速再入、稀薄大气条件下的数学模型、物理模型精度，积累了高速近外层大气飞行工程经验，带动了新材料的研制和航天装备设计方法的创新。

试验成功的消息让举国欢庆。国人欣喜之余，也不禁好奇到底什么是探月三期再入返回飞行试验？为什么嫦娥三号之后直接就是嫦娥五号试验器了，嫦娥四号去哪了？什么是嫦娥五号试验器，它和嫦娥五号又有什么关系？

“我国嫦娥系列已经发射过3次。”中国空间技术研究院技术顾问、神舟号飞船首任总设计师、中国工程院院士戚发轫介绍说，“嫦娥一号发射成功后，进行了‘撞月试验。嫦娥二号‘绕月飞行任务完成后，已经飞向更深远的太空，离地球越来越远。嫦娥三号携带玉兔号月球车实现了‘落月计划。”

嫦娥三号任务圆满完成后，我国探月工程全面转入三期。作为“绕、落、回”规划的第三步，探月三期的主要目标是实现无人自动采样返回，突破月面采样、月面上升、月球轨道交会对接和以接近第二宇宙速度再入返回四项核心关键技术。计划于2017年左右在海南文昌航天发射中心发射的嫦娥五号将执行该任务，完成探月工程的重大跨越——带回月球样品。

早在8月，嫦娥五号试验器就从北京转运至西昌卫星发射中心，逐步开展相关测试和试验。该飞行器主要验证嫦娥五号任务返回器以接近第二宇宙速度再入返回地球的相关技术，可算是嫦娥五号的先行“探路小兵”。

嫦娥四号是嫦娥三号的备份。如果嫦娥三号任务完成得不够好，作为备份的嫦娥四号将出马继续执行任务。由于嫦娥三号出色地完成了任务，嫦娥四号一下子找不到活干了。这次，嫦娥五号试验器成功发射不禁让人疑问，是不是直接跳过嫦娥四号，发射嫦娥五号了？“嫦娥四号只是暂时没派上用场。嫦娥四号未来干什么，科学家们正在为它找活干呢。”戚发轫说，嫦娥四号将来会领到一个新任务，但目前还不确定。

10月24日凌晨2时，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙改进型运载火箭，成功将探月三期再入返回飞行试验器发射升空。嫦娥五号“探路小兵”以曼妙身姿奔向美丽的月球。在8天的漫漫征途中，身材娇小的“探路小兵”经受住重重考验圆满完成了任务，这一切都要依托于航天科技集团五院（下称“五院”）的能工巧匠们为她塑造的一副健美又结实的身躯。

从外观上看，飞行试验器的返回器很像神舟飞船返回舱的缩小版。与神舟飞船相比，返回器的横截面积仅为它的1/2，质量仅为其的1/10。五院工艺师樊晓霞说：“返回器虽然小，但‘五脏俱全，法兰和焊缝的数量一点不比飞船返回舱少。这就像在一块大木板和一个小果核上雕刻同樣复杂的雕像，很显然后者的难度要高出好几个量级。”

要在只能勉强容下操作师傅半个身子的返回器上焊接舱体，这可给师傅们出了个难题。五院529厂焊接工艺师曾如川介绍说：“别看舱体小，上面可是焊缝纵横交错。有些焊缝之间的距离非常近，焊接时很容易产生相互的叠加影响，产生较大的焊接变形。”以往飞船返回舱在焊接时采用的是整体式工装，由于舱体大、焊缝间距远，焊接时一般不用担心叠加影响，但这个方法很明显不适用于“浓缩版”的返回器。

既然整体式工装行不通，那就“化整为零”。经过深入学习、反复琢磨，曾如川设计出一套全新的分体式工装，每次只固定一个法兰，焊接完了再进行下一个。这套工装结构形式简单，装配操作方便，各个法兰装配与焊接时互不影响和干涉，高质量地解决了“小”舱体带来的焊接“大”难题。

一般情况下即使像东方红四号这样的大卫星，每颗卫星一次整星热试验即可，而返回器的试验总数量不下十余次，可谓前所未有之多。不过，这次的“探路小兵”算是享受了一次“特殊待遇”。五院总环部的师傅们专门为她设计了红外加热笼，让她能更真实地提前感受太空环境，以保证她能在太空之旅中顺利度过“冰火两重天”的考验。

原来，飞行试验器的返回器造型比较独特，是一个底面直径和高度都只有1.25米的锥形体，小小的身躯在热试验中的加热分区就多达32个。返回器热试验负责人李振伟说：“这次返回器的红外加热笼分区多，接口也多，而且构型不规则，给我们设计制造带来了很大的难度。”热试验的难度还远远不止这些。加热笼与舱体之间的安全距离也不好把握，如果红外笼离舱体太远，加热笼带条加电后辐射温度难以满足高温要求，这将导致热试验不充分，不能达到预期效果；如果红外笼离舱体太近，舱体部分位置可能超出温度承受上限，就很容易造成表面损伤。面对挑战，总环部真空热环境试验设计组通过仔细研究返回器的外形尺寸、认真分析热流和操作安装要求，采取了三维设计与热分析仿真相结合的方式，最终确定采用5片红外加热笼拼合包裹大底、5片红外加热笼拼合覆盖侧壁的方案，顺利完成返回器红外加热笼的设计制作，为返回器量身定做了一件精致的“衣裳”，确保了热试验可靠有效进行。

据五院飞行试验器系统副总设计师张伍介绍，此次飞行试验获取的数据主要通过两种渠道，即外测和内测。“外测就是经过地面测站测出的数据；内测是飞行器内部载入的一些传感器所测量的数据。这些数据都存储在一个叫安全数据记录器的设备里，它抗冲击，耐烧蚀，掉进海里也没问题，类似于飞机上的黑匣子。”

从此次试验成功后着陸的返回器表面来看，一面呈现烧灼，一面基本正常，甚至还残留一些白漆。

“能够呈现目前的效果，主要是因为我们在器体表面采用了7种全新的材料。应该说这种材料体系并不是全新的，其实在神舟和返回式卫星上都用过。但这次我们在配比上稍微有一些调整，这样就会有一些新的特点呈现出来。”五院飞行试验器副总工程师彭兢说。

此外，在飞行器上采用多种材料的设计在我国航天史上也是第一次，以前一般都是采用同一种材料。

随着嫦娥五号试验器踏上地月旅行的征途，一组组反映嫦娥飞行状况、各系统运行状态的“生理参数”，踏着无线电波飞驰到北京航天飞行控制中心（下称“控制中心”），在这里，遥测岗位的科技人员首次应用了具有自主知识产权的深空探测可视化系统，破译、输出、监控这些参数，为嫦娥认真做着“体检”。控制中心软件室工程师范文山强调：“三维可视化软件的研发，欧美国家宣称用了10年，而我中心仅仅用了1年。”

据范文山介绍，这套系统包含遥测快速处理、信息快速监控和故障快速诊断三个软件，快速、高效是它们的最大特点。相比以往任务，这次嫦娥“体检”进入了一个快时代。

就像高速铁路是高铁运行的基础一样，遥测快速处理是为嫦娥“体检”的基础和前提，为嫦娥“体检”搭建起专用“高速车道”。

遥测快速处理就是将嫦娥下传的数据源码通过解码、辨识、曲线拟合和分析计算等方式快速转化成人们能够识别的参数信息。控制中心软件室工程师刘志芳介绍：“这次任务，遥测数据种类更多、格式更为复杂。为此，我们通过引入LUA脚本、完成遥测信息的抽象化描述和归一化处理等方式，大大提高了遥测处理软件的自适应能力、人工准备和软件数据处理执行效率。”

值得一提的是，LUA脚本是“魔兽世界”等大型网络游戏广泛采用的一种编程方式。玩过“魔兽世界”的人都知道这款网络游戏场面宏大、画面精美，但运行一直非常稳定流畅。刘志芳称，将LUA脚本引入到中心遥测处理系统，不但能大大提高遥测处理软件的可靠性和灵活度，而且能有效减少系统资源占用率，从而大幅度提高遥测数据处理的速度和效率。

乍一看，信息快速监控系统与普通的信息监视页面并无多大差别，都是由一个个参数信息构成，然而细查之下，却内含玄机。

美观简洁的软件界面上分列着关键事件、遥测处理结果、遥测源码和遥测统计信息等一系列子窗口。这些子窗口下的数据信息全部是从成千上万的遥测数据里精心筛选出来的嫦娥“体检”的必检项目。“软件还能自动屏蔽过滤掉一些无用的遥测信息，给我们这些‘体检医生提供很大的便捷。就像是我们岗位设立的 ‘特需门诊，方便嫦娥快速就诊。” 控制中心遥测岗位主管设计师张祖丽形象地比喻。

以前为了确认一个状态，经常要在监显页面上点来点去，查找半天才能找到对应参数，既耗时又费力。有了信息快速监控系统，依靠语音智能提示和关键状态自动监控，科研人员能更加方便、快捷地掌握嫦娥的状况和任务状态，省时省力又省心。

嫦娥遨游太空，如果偶染小恙，“感冒发烧”了，谁能最快发现、最快诊断、最快拿出治疗方案呢？

故障快速诊断系统就是控制中心软件室为嫦娥快速“体检治病”而精心打造的“专家国手”。

软件的主要设计者、工程师谢源说，这次探月任务大大小小的故障预案多达144个。如果每个故障都要依靠人工识别判断、再查找解决方案，那就如同急救车开上拥堵的路段，不但误时，更会误事，错过最佳救治时机。

而在故障快速诊断系统简洁明快的视窗操作界面上，嫦娥姑娘17个分系统名称十分醒目，点击分系统色块，软件就会展示这个分系统所有的故障模式及每个故障模式的应对预案。

任务中，一旦某个分系统参数异常、出现故障，软件界面上代表该分系统的色块就会变红，并发出“嘀嘀”的报警声。工作人员根据软件提示能很快定位故障源，并按图索骥迅速找到解决方案。

因为返回方式不同，航天器并不能在发射场着陆。因此，在西昌发射升空的嫦娥五号试验器着陆场却是位于内蒙古的四子王旗。我国的神舟系列飞船均在此主着陆场回收。未来承担我国探月工程第三步任务“回”的嫦娥五号将带着采集的月球土壤在此着陆。

俗话说“行百里者半九十”。在这次历时8天多、总航程80多万公里的任务中，返回的最后数千公里尤为艰险。11月1日凌晨5时许，控制中心通过地面测控站向再入返回飞行试验器注入导航参数。 5时53分，再入返回飞行试验器服务舱与返回器在距地面高约5000公里处正常分离。

6时13分，返回器以接近第二宇宙速度进入大气层，实施初次气动减速。下降至预定高度后一跃而起跳出大气层，到达跳出最高点后开始逐渐下降再次进入大气层，实施二次气动减速，一气呵成完成了被称为“打水漂”的“跳跃式再入返回”，据悉，这个特殊的返回轨道目的在于降能减速，确保整个飞行器返回。

在降至距地面约10公里高度时，返回器降落伞顺利开伞，在预定区域顺利着陆。担负搜索回收任务的搜索分队及时发现目标，迅速到达返回器着陆现场实施回收。

据绕月探测工程、嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师叶培建介绍，过去神舟飞船的返回都是直接返回，这一次为了解决落点的问题和载陆角以调整冲击力的问题，分离进入大气层到60公里时将再跳回到宇宙中去，再跳回大气层，然后再回来。

“距离越长，走的时间越长，我们可以得到很多好处。这个办法能减少发热，减小载陆角等，这种返回方式也是我们的第一次试验。”叶培建表示，嫦娥五号试验器的成功返航无疑是首尝“螃蟹”，为嫦娥五号先行探路，以验证能否返回、能否落到预定区域。

当天下午15时左右，嫦娥五号试验器返回器被接回北京。在高速穿越了大气层的高温灼烧后，一面变黑一面依旧银白的返回器结构完整，各种状态都与科研人员的预想一致，烧灼材料经受住了严苛的考验。不仅如此，返回器着陆的飞行过程也都按预定曲线进行，高精度、高动态的制导导航控制技术也实战过关。

探月工程三期探测器系统总指挥兼总设计师杨孟飞欣慰地说：“首先，原来很担心的是返回器表面因为烧蚀会形成‘台阶，也就是说由于用的材料不一样，若烧得不均衡就会在交界面造成高低不平的状况。但这次几乎没有明显的台阶曲线。其次是烧蚀的后退量，也就是材料的消耗比我们原先预估的数值要少。第三是服务舱消耗的原料比原来预计的要少。之所以会这样，一方面是运载火箭打得比较精准，另一方面是飞行器姿态控制精确。”

由于通过这次试验验证了多项关键技术，嫦娥五号任务的科研工作者们底气更足了，“落在预定区域表明试验结果非常好，是按照我们预定设定的参数与模型进行的。落地的飞行过程也都按照预定的曲线进行，高度、时间都是按照预定程序进行的表明再入返回试验任务达到目的。”杨孟飞很兴奋，“所有的结果比我们预计的都要好。”（本刊综合）