解密探月返回飞行试验器：实验室从地面搬到天上

　　深空探测是一个国家综合实力的象征，我国首次实施的再入返回飞行试验，将为2017年前后承担“无人采样返回”任务的嫦娥五号提供技术支持

　　在寂静的太空中，美丽的月球再次迎来来自地球的访客。

　　北京时间10月24日凌晨，我国自行研制的探月工程三期再入返回飞行试验器(下文简称“飞行试验器”)，在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射升空，准确进入地月转移轨道。

　　飞行试验器，被科研工作者亲切地称为“探路小兵”。发射升空后，“探路小兵”将经历星箭分离、地月转移、月球近旁转向、月地转移、再入返回、回收着陆等6大关键节点，整个过程约8天，预计将于11月1日返回地球。

　　航天科技集团五院飞行试验器总指挥、总设计师杨孟飞介绍，此次“探路小兵”出行，如何安全地“回娘家”将是一个艰巨的挑战。

　　“探路小兵”究竟由哪几部分组成？它承担着的主要任务目标是什么？面临着哪些风险？在研制过程中有哪些秘诀？带着诸多疑问，《瞭望》新闻周刊记者专访了“探路小兵”的研制单位——中国航天科技集团公司第五研究院(下文简称“五院”)。

　　把实验室从地面搬到天上

　　2013年12月，嫦娥三号任务圆满完成后，我国探月工程转入三期，即“绕、落、回”规划的第三步。飞行试验器的成功发射，开启了我国探月的新征程。

　　激流勇进的深空探测，向来讲求争分夺秒、以快为先。我国计划于2017年在海南文昌航天发射中心发射嫦娥五号月球探测器，进行无人自动采样返回试验。

　　与嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号相比，嫦娥五号的结构要复杂得多，由轨道器、上升器、着陆器和返回器等组成。而实施月地返回、半弹道跳跃式高速再入返回、返回器气动外形设计、返回器防热设计、验证半弹道跳跃式再入制导、导航与控制以及轻小型化回收着陆技术等六大技术难点是决定任务成败的关键。

　　为了验证这些无法在地面进行试验的技术，必须“把实验室从地面搬到天上”，“探路小兵”甘当开路先锋，与时间赛跑。

　　在此次任务中，“探路小兵”并不需要走完未来嫦娥五号要走的全程，而将重点考察从距地约38万公里的月球返回地球的回家之路。通俗地说，它的主要任务就是解决怎么顺利飞到月球和怎么从月球安全、顺利地回来。

　　“如同从高空往下扔石头一样，距离地面越高，石头落地的速度就越快”，杨孟飞介绍说，这是我们第一次试验从月球返回地球。飞行试验器从距离地球38万公里的月球返回地球时将会越飞越快，到达地球时的速度将十分恐怖，回到大气层时接近第二宇宙速度(11.2公里/秒)，这要比神舟飞船返回地球的速度快很多，而与之相随的摩擦热防护等风险将严重威胁着“探路小兵”。

　　专家说，此次试验一大难点在于采用“半弹道跳跃式再入”方式返回地球。打个比方，“半弹道跳跃式再入”类似于在河边打水漂，这个特殊的返回轨道目的在于降能减速，确保整个产品返回。

　　从2013年12月嫦娥三号探测器成功落月，到此次飞行试验器再次出征，我国的探月工程实施进程不断提速。中国科学院院士、飞行试验器总指挥、总师顾问叶培建说，探月工程“绕、落、回”三步走的战略步骤，相互关联，又不完全按顺序排列，拿二期工程“落”和三期工程“回”来说，两期任务各自有安排。同时，从嫦娥一号、二号，到三号任务，每次都完成得十分出色，原有的一些备份星的计划安排也相应进行了调整，整个探月工程的进程实际上已经加快了。

　　“小果核”上的巧焊接

　　为了节省发射成本，“快、好、省”地验证这一技术，五院的科技工作者巧妙设计了“探路小兵”娇小的外形和强健的体魄，并在新产品、新技术、新工艺上下足了功夫，通过一系列的技术创新，为飞行试验器武装起了更轻量、更稳定、耐高温性更强的“霓裳羽衣”。

　　杨孟飞介绍，飞行试验器由服务舱和返回器组成，其中，服务舱为2000多公斤，是个“大块头”，而返回器只有300多公斤，是与“大块头”紧密相连的“小不点”。

　　飞行试验器共有十一个分系统，即：结构分系统、机构分系统、热控分系统、数管分系统、供配电分系统、测控数传分系统、天线分系统、工程参数测量分系统、GNC、服务舱推进分系统、回收分系统。身着金色多层材料的服务舱以嫦娥二号卫星平台为基础进行适应性改进设计，而银色的返回器则与探月三期正式任务中返回器的状态基本保持一致。

　　从外观上看，飞行试验器的返回器很像是神舟飞船返回舱的缩小版。与神舟飞船返回舱相比，返回器的横截面积仅为飞船的1/2，质量仅为飞船的1/10。

　　航天科技集团五院工艺师樊晓霞说：“虽然返回器小，但‘麻雀虽小五脏俱全’，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样复杂的雕像，显然后者的难度要高出好几个量级。”

　　在“娇小”的返回器舱体上焊接，这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，那能不能“化整为零”呢？经过深入学习、反复琢磨，曾如川设计出了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，各个法兰装配和焊接过程互不影响和干涉，高质量地解决了“小”舱体带来的焊接难题。

　　私人定制巧渡“冰火两重天”

　　“探路小兵”此次旅行前通过了重重考核。以热试验来说，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，而返回器的热试验总数量不下十余次，可谓前所未有之多。

　　五院总环部还专门为其设计了红外加热笼，让“探路小兵”能更真实地提前感受太空的环境，以保证其能在太空之旅中顺利渡过“冰火两重天”的考验。

　　据介绍，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。

　　总环部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，加热笼带条加电以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，顺利完成了返回器红外加热笼的设计制作，为返回器量身定做出了一件精致的“衣裳”，确保了热试验可靠、有效地进行。

　　“探路小兵”的“秘密武器”

　　虽然飞行试验器的返回器只有神舟飞船返回舱大小的十分之一，重量只有300多公斤，尚不及国外同类试验器返回舱动辄数吨重块头的一个零头。可就是凭借这副小身板，试验器能做出“打水漂”式再入返回等一系列高难度动作。其中的秘诀何在？

　　五院总体部彭兢副总师介绍说，飞行试验器在重量、体积大幅减少的情况下，性能不降反升的“秘密武器”在于其广泛使用了大量高智能化、高集成度、小型化产品。众多体积小、重量轻、性能高的小产品，共同打造出了飞行试验器“身材虽小本领大”的硬朗风格。由五院人自主研发的小型星敏感器、第二代CMOS相机就是其中的典型代表。

　　由五院502所研制的小型星敏感器是一款“会思考、能自主决策”的高智能产品。依托嵌入在产品中的小型智脑，敏感器能把提取的星图与智脑中存储的海量数据进行比对、分析，从而在苍茫的宇宙中，找准自己的位置、坐标，对航天器在太空的自由驰骋进行姿态控制。同时，星敏感器还能自如地应对太阳光、星体反射光等恶劣空间环境的挑战，快速做出一系列的应急响应，在精度控制上，更是首屈一指，达到毫厘不差的国际领先水平。

　　第二代CMOS相机是五院508所把轻量化做到极致的一款产品。每台相机只有巴掌大小，重量不及一个苹果重，却集光、机、电、热等多项先进技术于一身，具有长寿命、高可靠、自动拍摄、实时图像压缩，能应付恶劣太空辐射、温度环境，能承受发射时的强烈冲击和振动等特点。首张中国人自己拍摄的地球全景彩色图像、人类第一次近距离拍摄的“图塔蒂斯”小行星等照片，均是出自第二代CMOS相机。

　　“深空探测领域是一个国家综合实力的象征”，叶培建说，五院一直以来把深空探测作为技术创新的制高点，通过加强新技术、新产品的在轨验证，不断提升我国空间技术的整体水平。以第二代CMOS相机为例，五院508所正在推进产品的模块化设计，力求通过模块的独立封装，提升产品的批生产能力，让高质、高优的产品服务更多航天器，甚至走进人们的日常生活中。(文/《瞭望》新闻周刊记者袁元 特约撰稿伍轩)