北京時間2014年10月24日02時00分，中國自行研製的探月工程三期再入返回飛行試驗器，在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭發射升空，準確進入近地點高度為209公裏、遠地點高度41.3萬公裏的地月轉移軌道。中國探月工程首次實施的再入返回飛行試驗首戰告捷。
從西昌衛星發射中心升空的“再入返回飛行試驗器”，是中國探月工程三期任務中最關鍵也是最困難的一次試驗。在發射之後，它將創造中國在太空中的多個首次，尤其是“太空打水漂”式的著陸方式讓外界格外矚目。為何這次技術試驗如此引人關注？它對中國探月工程的意義到底有多大？為何要采用創新型著陸方式？多名中國航天技術專家向《環球時報》記者解釋了這次試驗背後的種種機遇與挑戰。
探月三期麵臨四大難題
要了解這次試驗的意義，首先得從它的性質說起。探月工程三期副總設計師郝希凡介紹說，與前幾次嫦娥探測器的發射不同，這次進行的是一次技術驗證性試驗，通過飛行器的真實飛行，獲取飛行器高速再入返回地球的相關軌道設計、氣動、熱防護、製導導航與控製等關鍵技術數據。飛行試驗器發射升空後將經曆星箭分離、地月轉移、月球近旁轉向、月地轉移、返回地球附近、再入返回地球等6大關鍵節點，試驗技術難度和創新性極高。
嫦娥三號任務成功後，中國探月工程全麵進入“繞、落、回”的第三期，即“從月球采樣返回”。 郝希凡說，通俗地講，就是發射探測器在月球上挖一勺土，然後帶回地球。然而要實現這個目的，我們麵臨著四大技術難題：首先是如何在月球上挖土取樣；接下來登陸器怎麽從月球表麵起飛返回月球軌道；然後如何在月球軌道實現交會對接；最後探測器還要以接近第二宇宙速度的極高速度返回地球大氣層著陸。郝希凡說，這些技術難題都是我們之前從未遇到過的，其中最後一步堪稱整個探月工程三期裏最難的技術。
中國航天科技集團公司飛行試驗器副總設計師張伍透露，飛行試驗器由返回器和服務艙兩部分組成。服務艙與嫦娥2號的外形很像，返回器則與神舟飛船神似，但體積隻有神舟飛船的1/8。他表示，試驗飛行器的軌道采用“8”字形的地月自由返回軌道，這種特殊設計巧妙地利用地球和月球引力，讓探測器飛抵月球附近後繞半圈自動向地球飛來，可為未來嫦娥5號的月地飛行軌道規劃提供很大幫助。不過航天科技集團五院專家戴居峰介紹說，由於月球的引力場分布不均勻，因此利用月球引力規劃探測器的軌道並不容易，整個過程需要經過多次調整。
被高速“逼”出來的“太空打水漂”
為何這次試驗器返回時的速度成為探月路上“攔路虎”？張伍解釋說，普通衛星隻是圍繞地球旋轉，速度達到第一宇宙速度（約為每秒7.9公裏）即可；在前幾次探月飛行時，探測器也隻是從地球到月球軌道，速度會越來越慢；而這次試驗飛行器還包括了從月球返回地球軌道的過程，速度越來越快，再入返回大氣層時的速度已接近第二宇宙速度（每秒11.2公裏）。
這個極高的再入大氣層速度，帶來一係列前所未有的特殊挑戰。郝希凡說，返回器從100多公裏高度進入大氣層時，這個高度的大氣非常稀薄，已經不是連續的氣流，而是分子氣層，會產生一係列特殊的氣體效應。此外在大氣層中超高速飛行會對返回器產生燒蝕，其程度也比以往要高得多。因此現有的載人飛船和返回式衛星的著陸模式都無法滿足需求。張伍說，我們為此設計了特殊的著陸軌跡：返回器進入大氣層後，通過飛行控製提升高度，在太空中滑行一段距離後再次進入大氣層，然後在內蒙古中部地區著陸。這種降落模式的官方說法為“半彈道跳躍式飛行”，因為它的原理和過程就像兒時玩的打水漂，因此又被形象地稱為“太空打水漂”。
郝希凡介紹說，“半彈道跳躍式飛行”增加了在大氣層的“一出一入”，可以消耗掉返回器的部分能量，從而減小著陸速度，拉長航程，有利於選擇降落區。據介紹，蘇聯和美國探月時也曾利用過類似原理著陸，但他們的航程沒我們長，而著陸場比我們大。由於當今中國的人口密度大，適合充當降落區的地方有限，這對返回器的降落精度也提出更高要求。
“回家之路”仍有不少難題
即便采用“半彈道跳躍式飛行”的特殊降落軌跡，返回器“回家之路”仍有很多未知難題。郝希凡承認，再入返回試驗的基礎是大量的地麵設計、研究和試驗工作。但是地麵畢竟是模擬條件，模擬條件沒有那麽充分：比如地麵要想模擬每秒11公裏左右的飛行速度非常難;要模擬高層大氣的真空度和化學反應也很難。因此，在地麵隻能分別分項做試驗，而且逼真度不夠。要檢驗設計方案是否正確，需要進行一次更為逼真的試驗，也就是即將開始的“再入返回飛行試驗”。郝希凡說，希望通過這次試驗，能完整地驗證我們的認識、我們的試驗、我們的研製工作是否正確。他形容說，這就是“把試驗場從地麵搬到天上”。
張伍說，由於返回器返回地球時速度會越來越快，不但進入大氣層時的姿態需要精確調整，而且對再入角控製的精度要求也非常高。如果角度小了，返回器就落不到原先指定的降落區，如果角度大了，就直接落入大氣層飛不起來。張伍介紹說，由於返回器降落時的速度非常快，不可能依靠地麵遙控指揮，為此還專門開發了半彈道跳躍式飛行的製導、導航與控製係統（GNC）技術，讓返回器能自主控製，“這是再入飛行的關鍵”。他強調說，返回器在降落過程中的微小變動都可能帶來影響。例如在第一次進入大氣層時，返回器表麵會因為高溫燒蝕使其外形和重量發生改變，因此在第二次進入大氣層時，返回器就必須考慮到這些因素進行自動調整。
返回器的防熱設計也是這次試驗的重要科目。郝希凡透露，為應對與大氣層超高速摩擦帶來的高溫問題，中國航天專家們已開發了多項熱防護技術。此外，返回器的特殊需求也為熱防護技術帶來難題。例如在太空時，返回器內部的電子設備工作會產生大量廢熱，需要被及時排出;而再入大氣層時正好相反，返回器外壁與空氣摩擦產生的上千度高溫需要隔絕。據悉，這些難題均已通過新型防熱材料和結構克服。
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