嫦娥六号存亡时刻：31马赫，500万米高空纵身一跃，硬扛上万度高温

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从我国嫦娥六号任务全局来看依次有11个任务阶段，分别是发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、着陆下降段、月面工作段、月面上升段、交会对接与样品转移段、环月等待段、月地转移段、再入回收段。


嫦娥六号携带有月壤样本容器的轨道器与返回器组合体经过月地转移入射后，目前已经进入月地转移段，也就是说，接下来的任务就是“归途”。
月地转移段与再入回收段，前者是空间转移段，后者是再入大气段，这是嫦娥六号从月球轨道回到地球的两个阶段，其中最难的就是“再入回收段”，此阶段总用时约50分钟，既是决胜时刻，也是存亡时刻。
相较于登陆月球、月面腾飞、环月轨道交会对接这些极具感官刺激的任务阶段，月地高速转移再入返回任务同样是困难的，但也正因为困难才能展现我们能力的非凡之处。








放眼环球，对比过去的传统航天强国（美俄），我们的航天器再入任务次数最少，经验自然也是最少，但不得不说，中国航天人是敢为天下先的，数次工程任务的实践结果表明，我们做到了后来居上。
地球是人类的摇篮，但人类不大概永远待在摇篮里。这句名言是人类探索地外天体动因的最佳诠释，而要探索地外天体，不仅要实现“去得了”，还要有“回得来”的能力。
地外天体探测范畴，月球是一个很好的练兵场。


近地轨道航天器再入返回速度略小于第一宇宙速度，从太阳系其它天体轨道返回地球则是第二宇宙速度，而月球虽然也是地外天体，但仍然是绕地球运行的卫星，处于地球引力影响范围之内，从绕月轨道返回地球的速度要远大于近地轨道速度，非常靠近第二宇宙速度。
地月之间38万公里的平均间隔虽然遥远，但相比火星等动辄以亿公里为单位盘算的间隔相比，还是相当近的，可以在更短的时间周期内实现既定任务目标。把握了月地高速返回技术，根本也就等同于可以驾驭从太阳系其它地外天体返回地球的技术能力。


嫦娥五号与嫦娥六号可以说是“一母同胞”，两次任务充分借鉴吸收了阿波罗载人登月任务的有益经验，轨道器、返回器、上升器、着陆器的四器组合体架构，与阿波罗登月飞船的四舱结构，在功能定位上几乎一致，但这绝不即是复刻，我们几乎在所有关键技术范畴都实现了质的飞跃，当年阿波罗飞船做不到的事情我们可以做到。
比如登月环节基于机器视觉的“粗避障+精避障的接力避障”自主登月技术可以实现极高的登月成功率，这是阿波罗登月时代所没有的。再比如上升器与轨返组合体的环月自主引导交会对接技术，也是阿波罗登月时代所没有的。
在接下来的月地高速再入返回任务中，我们同样应用了一系列核心关键技术。


在再入返回任务中，嫦娥六号采用的是“高速半弹道跳跃式再入返回技术方案”，也就是俗称的“太空打水漂”。
在嫦娥探月工程之前的地外天体返回任务中，人类采用此类技术方案的只有苏联的Zond-6、Zond-7、Zond-8三次无人月地返回任务，其中Zond-6因为降落伞故障导致坠毁，阿波罗载人登月计划虽然也有雷同技术，但其二次起跳高度较低，航程延伸有限，而且也没有在载人任务中应用。
可以说，通过嫦娥探月工程的实行，我国在航天器再入返回技术范畴已经站在了世界的最前线。


一些人也有疑问，嫦娥六号采用太空打水漂的方式返回地球，是不是因为防热材料不过关，只能通过这种逐级减速的方式降低防热压力，而不能像阿波罗飞船那样硬扛超高温烧蚀？
在高达31马赫的高超音速再入地球大气层条件下，航天器与大气剧烈摩擦，返回器周围温度，尤其是大底前端空气温度高达1万摄氏度，大底外貌温度也在3000摄氏度以上，应对高温烧蚀通常有三种办法。


比力简单粗暴的办法就是“添油战术”，就是加厚防热材料，用更多的烧蚀材料带走高温热量，确保返回舱不会被烧穿，但是，防热材料本身就是返回舱的消极重量，持续加大加厚，消极重量就更大，进一步侵占返回舱本就有限的重量与尺寸资源，同时，在防热材料性能有限的环境下，返回舱侧壁倾角也会更小，更趋近于碟形，这就使得返回舱内部空间更加局促，航天员宜居性进一步恶化。
阿波罗登月飞船的指令舱就是这种简单粗暴办法的典型代表，该舱段重量5.5吨，内部居住容积是6.17立方米。与之相比，神舟飞船返回舱重量是3吨级，内部居住容积也是6立方米量级。








虽然阿波罗飞船与神舟飞船的使命任务差别，但也可以从中感知到阿波罗飞船指令舱为了对抗高速再入防热需求的消极重量有多大。
第二种办法就是防热材料性能小幅提升，主要通过改变再入弹道的方式，降低热量峰值。比如“高速半弹道跳跃式再入返回”，第一次再入大气层后会迎来持续时间较短的热流峰值，然后在距地面约60公里高度再次起跳冲出大气层，之后再第二次再入大气层，此时返回舱再入大气各项条件将与近地轨道返回舱再入任务一样。




嫦娥五号、嫦娥六号的返回器就是第二种办法的典型案例，这哥俩的重量资源约束是比力大的，整器重量仅300公斤，但麻雀虽小五脏俱全，结构与防热、供配电、数据管理、测控通信、导航与控制、回收着陆、热控以及探测载荷等分系统应有尽有，在这种环境下就没有富余的重量资源在防热材料上进行添油战术，所以必须采用太空打水漂的方案。
第三种办法是在跳跃式弹道根本上，大幅改进防热材料。放眼环球仅我国新一代载人飞船“梦舟号”这个唯一案例。
四年前，梦舟号前身“新一代载人飞船试验船”搭乘CZ-5B遥一火箭升空，船箭分离后飞船自主爬升至远地点约8000公里的轨道高度，并由此高度实行再入大气层，最终以跳跃式返回方式实现了高精度着陆。












新一代载人飞船试验船返回舱应用了由我国独立自主研制的全新一代高性能防热材料“轻质碳基微烧蚀防热材料”，此种材料具有密度低、热导率极低、压缩强度高、拉伸强度高、强韧性刚柔兼顾等优势性能，大幅超越国际先进水平。


基于优势的防热材料性能，我们的返回舱就能够以较低的重量实现内部居住空间的最大化。
比如美国最新一代登月飞船猎户座飞船返回舱发射重量达到了10.4吨，内部居住容积仅有9立方米，我国新一代载人飞船试验船返回舱发射重量7吨，内部居住容积则高达13立方米，由此可见美国猎户座飞船返回舱的消极重量有多重，这要归咎于他们落后的防热材料性能。




猎户座飞船防热材料大部门继承了半个世纪前的阿波罗登月飞船指令舱的防热材料，旨在通过继承成熟技术获得更高的可靠性，但即便如此，在阿尔忒弥斯一号无人绕月飞行任务中，猎户座飞船返回舱防热材料还是出现了多达100多处磨损与预期环境差别的问题点，防热大底肉眼可见多处大尺寸破洞，由于烧蚀产生的缝隙使得分离螺栓内部温度升高，这意味着返回舱内部温度一定升高，此种状态如果用于载人后果不堪设想。




为什么我国新一代载人飞船用更轻的重量可以拥有更大的内部空间？还是因为材料的技术优势，强大的防热能力使得我们的返回舱侧壁倾角可以做得更大，可以直面高温烧蚀，而猎户座飞船由于材料防热性能落后，只能用更小的侧壁倾角，让返回舱侧壁避开高温区，从结构上就侵蚀了猎户座返回舱内部空间，加之防热性能落后，更多的防热材料不仅重量大，尺寸也大，再次侵蚀猎户座返回舱内部空间。
可以说，材料技术的水平高低往往是可以定胜负的。


我国航天器再入防热材料是全范畴突破，嫦娥五号、嫦娥六号代表着我们在传统防热材料范畴的领先水平，八年前，我们还发射了多用途飞船缩比返回舱，它所使用的是隔热瓦技术，走的是美式路线，在轨实践结果表明此种材料也满足使用要求，但是还达不到我们的预期指标，在此根本上，我们决定另辟蹊径，就是前文所述的具有世界领先水平的新一代轻质碳基微烧蚀防热材料。
除此之外，我国还有耐受3000摄氏度以上高温的新型特种金属基材料，这种材料广泛应用于空天飞机、航天飞机范畴，而耐受3000摄氏度高温这一指标刚好与嫦娥六号返回器再入时大底外貌温度吻合，意味着这种材料同样可以胜任地外天体返回再入大气层的任务。
话说马斯克的星舰再入时受困于防热材料性能，如果是我们来做，会有更多的货架产品与技术可供选择。


所以，根本不存在所谓因为防热材料不过关才要太空打水漂的问题，而之所以要太空打水漂是为了获得更精确的再入返回落点精度。
话说，太空打水漂需要二次进入太空、二次再入大气层，不确定因素明显是增多了，怎么会有助于提高再入返回的落点精度呢？
先来看这么一个问题，为什么美国返回式航天器通常选择海上着陆？回答这个问题需要追根溯源，仍以半个世纪前的阿波罗载人登月计划为例，载人登月飞船指令舱采用的是半弹道再入。
航天器再入返回通常有三种形式，分别是弹道式返回、半弹道式返回、升力式返回。
弹道式返回就是航天器按照既定的抛物线弹道再入，只受空气阻力作用，不产生升力，属于无控返回，再入速度大，过载也大，再入返回过程中没有航向调节能力，偏离预定落点的概率大，比如弹道导弹战斗部、对称旋转体外形的返回式卫星都是这种再入返回。


半弹道返回是指再入航天器可以有限利用升力调节航向，其质心位置设计在偏离中央轴的位置上，这样就可以更好地利用升力与阻力，为了利用这种升力，同时降低飞行速度与过载，返回舱外形通常是钝头体，比如联盟系列飞船返回舱、神舟飞船返回舱、载人龙飞船返回舱等载人飞船返回舱皆是如此。


升力式返回指的是升力控制作用明显的带翼航天器，比如航天飞机。


虽然阿波罗飞船返回舱也是半弹道式再入返回，但是相较于近地轨道飞船返回舱再入返回的航程更短，有限升力的航向调节能力十分有限，因此落点毛病较大，所以需要大面积的返回落区，这种落区在陆地上是很难找的，即便找得到，指令舱落地后的搜救也是难题，所以只能选择海上着陆。


落点精度最高的自然是升力式，航天飞机可以自主降落至机场跑道，落点精度之高可见一斑。
但是，带翼航天器进入太空后，机翼结构就是消极重量，返回舱式航天器仍然有广阔的应用空间，但后者毕竟是没有机翼，怎样在现有条件下提高落点精度呢？
唯一的办法就是拉长航程，航程长了，再入飞行时间也就长了，时间长了，返回舱利用有限升力调节航向的能力自然也是水涨船高。
怎样才能拉长航程？高速半弹道跳跃式再入返回技术因此应运而生。
以嫦娥六号为例，当轨返组合体间隔地球约5000公里时（相当于重约300公斤的返回器在间隔地球约500万米高空纵身一跃），返回器与轨道器分离，前者独自返回地球，轨道器实行机动规避，并开展后续拓展飞行任务。




返回器将沿着45度倾角再入走廊返回，航迹下方有我国在非洲、巴基斯坦、我国西部等地摆设的地面接力测控网络支持。


当返回器间隔地球约120公里时，它将以-5.75°±0.2°的再入角度再入，因为-5.75°再入角可以实现最大航程调节能力，纵向航程可在5600公里至7000公里之间调节，横向调节能力是200公里。




第一次再入大气层的速度将达到10.66公里/秒，换算成音速就是约31马赫，进入大气层后创建配平攻角，约62公里高度时热流峰值出现，返回器大底前端空气将产生上万摄氏度高温，大底外貌温度也达到3000摄氏度以上，高度60公里时返回器开始起跳。
返回器是怎么起跳的？该舱段配置有12台姿控发动机，可以调解返回器滚动角度改变升力作用方向实现。


返回器将以7.04公里/秒速度跃出100公里卡门线，开始空间飞行，惯性飞行一段时间后第二次再入大气层，速度也是7.04公里/秒，相较于第一次再入时速度已经大幅降低，二次再入后飞行程序就和神舟飞船返回舱再入时一样，执行半弹道式再入返回程序，最终在间隔地面约10公里高度开始降落伞减速，直至着陆地面。
返回器第二次再入之前，经过第一次再入的高温烧蚀，返回器外形已经出现了变化，虽然变化轻微，但也足以影响后续再入状态，我们是怎样解决的呢？


返回舱式航天器的再入返回精度控制，稽核的是降落伞开伞前的飞行阶段的控制精度（开伞后受风力影响将不可控），也就是要确保开伞点的精度，因为在开伞之前是人力可为的阶段，也就是发挥航向调节能力的作用，我们又是怎样确保开伞点的精度呢？
这就要提到贯穿再入返回任务全程的全数字全系数自顺应预测校正制导技术，四年前，应用此项技术的新一代载人飞船试验船返回舱在跳跃式再入返回任务中取得了高精度落点成绩，从测控画面中可以看到返回舱几乎是压着预定落点落下去，科研人员说这是比10环还要高的10.8环。


全数字全系数自顺应预测校正制导技术可以实时预报返回舱飞到终点的毛病，返回器可以根据这个毛病去调解飞行轨迹，直至飞抵目标点。
凭借此项技术，早在九年前，嫦娥五号T1返回器就创造了开伞点精度的世界记录，远远超过其它国家的开伞点精度，拉开了技术差距，创建了领先优势。
美国猎户座飞船也应用了雷同技术，但他们还处在试验阶段，而我们早已开始大规模应用，神舟载人飞船、嫦娥系列月地返回，甚至用到了火星上的天问一号探测器，同时也应用在了诸多型号的东风快递上。


采用太空打水漂式再入还有一个长处，就是过载更低，嫦娥五号、嫦娥六号的再入最大过载不超过4.8G，而阿波罗飞船再入过载则高达6.49g，这意味着不载人的嫦娥六号返回器比载人的阿波罗飞船更舒适……我们这么做自然也是在五年内将要实行的载人登月任务打根本。
中国人做事，要么不做，要做就做到极致，此类极致在嫦娥探月工程中有很多案例，还有降落伞的轻质化，嫦娥五号返回器重量只有300多公斤，留给降落伞的尺寸与重量资源都极为有限，它没有备份伞，对可靠性的要求也很高，于是我们在环球范围内率先揭示了降落伞尺寸效应机理，降落伞与返回舱重量比降到了2.4%，远远优于其它国外航天器，同类数据日本隼鸟号是3.2%，美国星辰号是4.4%。




嫦娥六号任务已经靠近尾声，对比嫦娥五号任务，受众的紧张感大为降低，这是各人对中国航天人充满信心，而信心源自气力，而嫦娥六号必将进一步巩固嫦娥探月工程各项技术根本。
如果说嫦娥五号是探月工程绕落回三步走的收官之战，那么嫦娥六号就是应用绕落回技术实现月球环球任意地区采样返回的实质性应用任务，嫦娥六号也为新阶段系列探月任务开了好局，接下来嫦娥七号、嫦娥八号、无人登月演示验证、载人登月……连续串的大戏还等着我们继承见证。

来源：https://view.inews.qq.com/k/20240623A07EXF00
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