我國(guó)再入返回飛行試驗(yàn)器試驗(yàn)過程示意圖

核心提示：

10月24日2點(diǎn)，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了一顆再入返回飛行試驗(yàn)器，此次成功發(fā)射不但標(biāo)志著探月工程掀開了新一頁，也標(biāo)志著我國(guó)成為世界上月球探測(cè)器種類最多的國(guó)家之一。

回顧人類曾經(jīng)發(fā)射過的月球探測(cè)器會(huì)發(fā)現(xiàn)，繞月飛行的軌道器最多，著陸器和撞擊器其次，再次是采樣返回器，月球車最少。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在此次發(fā)射之前，人類總共發(fā)射過112個(gè)月球探測(cè)器，其中有11個(gè)屬于臨時(shí)訪問，17個(gè)是撞擊器，24個(gè)是著陸器，35個(gè)是繞月球飛行的軌道器，6個(gè)是軌道器和撞擊器組合，還有4臺(tái)月球車和17個(gè)采樣返回器。我國(guó)此次發(fā)射的再入返回飛行試驗(yàn)器是采樣返回器的驗(yàn)證樣機(jī)，這也使它成為目前世界上唯一一個(gè)繞飛返回器。

登月難 返回也難

回顧人類探索月球的歷史，可以發(fā)現(xiàn)早期探月是由一連串失敗組成的。其中，蘇聯(lián)進(jìn)行的早期月球探測(cè)任務(wù)幾乎沒有一個(gè)取得成功，美國(guó)也是失敗多成功少。但正是這些失敗，積累起了必要的技術(shù)，讓人們真正了解了星際飛行需要什么樣的技術(shù)和控制方法，特別是不同的任務(wù)需要采取什么樣的軌道方案。

在上面說到的112個(gè)探測(cè)器中，有41個(gè)徹底失敗，它們不是發(fā)射失敗就是進(jìn)入了錯(cuò)誤的軌道，有8個(gè)部分成功，有65個(gè)取得了成功，這其中的原因與技術(shù)難度有直接的關(guān)系。而我國(guó)迄今為止進(jìn)行的幾次月球探測(cè)任務(wù)全部取得成功，有力提高了人類探月的總體成功率。

先看繞月飛行。相比而言，繞月飛行是最簡(jiǎn)單的。而且由于探測(cè)器在繞月飛行的時(shí)候依然擁有很大的動(dòng)能，那么當(dāng)它啟程返回地球的時(shí)候，也就不需要太多的燃料。

再說著陸器。著陸器就相對(duì)困難一些，著陸器分為固定不動(dòng)的和能夠運(yùn)動(dòng)的兩種，后者就是人們很感興趣的月球車。由于著陸器需要接近月球，然后把自己和月球的相對(duì)速度降低到零，因此也出現(xiàn)過一些撞擊器，就是把航天器直接撞擊到月球上。我國(guó)在嫦娥三號(hào)任務(wù)時(shí)就已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在月球軟著陸，成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)地外天體軟著陸和巡視探測(cè)的國(guó)家。

此外，在采樣返回任務(wù)中，著陸器不但要攜帶用于挖掘和存儲(chǔ)礦石的機(jī)械，還要攜帶火箭用于返回地球。因此，如果不能研制出可靠的機(jī)器人系統(tǒng)，就只能把航天員派到月球上去挖掘礦石了。有意思的是，在這個(gè)方面，是載人航天器而不是機(jī)器人航天器占得了先機(jī)，人類第一個(gè)成功實(shí)施登陸月球采樣返回任務(wù)的是美國(guó)的阿波羅飛船。

再看返回。結(jié)合未來的嫦娥五號(hào)任務(wù)，在返回的過程中還涉及從月面起飛這一過程。從其他星球表面返回，本身就代表了比在其他星球著陸或環(huán)繞探測(cè)有著更高的工程難度和技術(shù)水平。雖然月球質(zhì)量只有地球的1/81，但從月球表面起飛并返回地球依然需要達(dá)到2.38公里/秒的逃逸速度。因此，無論是美國(guó)的阿波羅飛船登月艙還是蘇聯(lián)的采樣返回探測(cè)器，都需要采用下降段和上升段兩級(jí)火箭才能分別完成軟著陸和離開月球的任務(wù)。

具體到此次再入返回飛行試驗(yàn)，由于從月球返回需要采用大橢圓軌道，這一軌道的初始段只要有微小的偏差，返回的落點(diǎn)就會(huì)有巨大的差異。而且返回艙的機(jī)動(dòng)能力有限，返回過程主要依靠氣動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)減速。從月球返回的航天器在返回大氣層時(shí)速度約為11.2公里/秒，遠(yuǎn)高于地球軌道附近飛船返回時(shí)的7.8公里/秒。航天器再入過程只要稍有偏差，不是被燒毀就是又被大氣層“彈”回宇宙，永遠(yuǎn)回不來。因此可以說，這一過程的控制需要很高的技術(shù)水準(zhǔn)。

根據(jù)此次任務(wù)特點(diǎn)，我國(guó)航天部門專門設(shè)計(jì)了一種特殊的返回軌跡，即“ 半彈道跳躍式再入”。當(dāng)飛行試驗(yàn)器返回第一次進(jìn)入大氣層時(shí)，先躍起，然后經(jīng)過一段時(shí)間飛行，再第二次進(jìn)入大氣層，返回地球。這個(gè)設(shè)計(jì)的主要目的是降能減速，確保飛行試驗(yàn)器順利返回。

美蘇探月返回各有千秋

1968年，蘇聯(lián)先后進(jìn)行了3次繞月飛行再入返回試驗(yàn)。同年，美國(guó)阿波羅-8號(hào)飛船也實(shí)現(xiàn)了繞月飛行并安全返回地球。而人類第一個(gè)月球采樣返回任務(wù)是1969年7月的“阿波羅”-11，3名航天員不僅第一次登上了地外星球，還帶回了21.5公斤的月巖樣品。

此后，美國(guó)又發(fā)射了“阿波羅”-12，不但進(jìn)行了采樣，還回收了此前的月球探測(cè)器殘骸。緊隨其后實(shí)施的就是著名的“阿波羅”-13，雖然任務(wù)失敗，但3名航天員安全回到地面，被稱為“最完美的失敗”。之后，美國(guó)又先后發(fā)射了阿波羅-14、15、16、17任務(wù)，全部取得了成功。

蘇聯(lián)在載人月球任務(wù)失敗的情況下，持續(xù)實(shí)施無人探月。在其1970年的兩次進(jìn)行無人采樣返回任務(wù)中，“月球”e-8-5發(fā)射失敗，“月球”-16取得了成功。“月球”-16的成功標(biāo)志著蘇聯(lián)在機(jī)器人技術(shù)方面取得了重大成就，難度其實(shí)并不亞于“阿波羅”，但載人航天能夠得到政界和公眾的高度關(guān)注，“主角光環(huán)”遠(yuǎn)遠(yuǎn)蓋過了“月球”-16。

1976年，蘇聯(lián)成功發(fā)射了“月球”-24。在“月球”-24之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人類再?zèng)]有哪怕是一個(gè)探測(cè)器在月球上軟著陸，直到37年后，“嫦娥三號(hào)”才結(jié)束了這段空白的歷史。到了上世紀(jì)80年代，國(guó)際航天的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向了商業(yè)航天和載人空間站。月球被冷落了，特別是投資大、技術(shù)復(fù)雜的采樣返回任務(wù)就更沒有人染指。

為嫦娥五號(hào)任務(wù)鋪路

在蘇聯(lián)“月球”-24任務(wù)之后的30多年里，雖然航天界依然在持續(xù)關(guān)注月球，但具體到探月工程，只有寥寥17次。中國(guó)探月工程的實(shí)施真正重新建立起了月球探測(cè)的完整框架，軌道器、撞擊器、著陸器、月球車相繼精彩亮相。

而“嫦娥五號(hào)”將是1976年以來人類第一次試圖進(jìn)行月球采樣返回的技術(shù)探索。人類歷史上的機(jī)器人月球采樣返回任務(wù)一共只成功過3次，即蘇聯(lián)的“ 月球”-16、“ 月球”-20 和“ 月球”-24。因此，先發(fā)射再入返回飛行試驗(yàn)器，為后續(xù)的采樣返回器減緩技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是非常有必要的。我們期待著“嫦娥”家族也能像國(guó)外的先行者們一樣，取得傲人的成績(jī)，為我國(guó)未來的深空探索奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。（常飛）