文／李 禾

在第十三屆中國國際航空航天博覽會（珠海航展）上，中國航天局展出了月壤儲存罐，這是嫦娥五號返回器帶回月球樣本的儲存罐。嫦娥五號返回器任務(wù)的成功，離不開回收系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。近日，發(fā)表在期刊《空間科學(xué)與技術(shù)》上的一篇論文介紹了嫦娥五號返回器回收系統(tǒng)的技術(shù)要求和限制，回收系統(tǒng)的設(shè)計過程，地面?zhèn)闩撋w彈射試驗(yàn)、空投試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等設(shè)計結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，嫦娥五號返回器運(yùn)行良好的回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)中國首個月球采樣任務(wù)。

2020年12月17日，在降落傘的作用下，攜帶月壤樣本的嫦娥五號返回器安全著陸。與返回式衛(wèi)星、載人航天器或其他近地軌道航天器回收系統(tǒng)的返回和再入過程相比，嫦娥五號返回器具有更多的特殊之處。比如返回器以約11千米/秒的速度進(jìn)入地球大氣層（接近第二宇宙速度），其再入速度遠(yuǎn)超我國返回式衛(wèi)星或神舟載人飛船等其他可返回航天器；返回器體積小、重量輕，對質(zhì)量特性配置的精度要求極高；回收系統(tǒng)的總質(zhì)量和體積非常有限。因此，嫦娥五號的新型回收系統(tǒng)需滿足質(zhì)量輕、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性高等要求。

但基于運(yùn)行環(huán)境、可靠性和安全性考慮，回收系統(tǒng)的設(shè)計面臨諸多要求和限制。比如著陸總重為310公斤且有降落傘輔助的情況下，返回器在海拔1千米的著陸區(qū)域垂直降落速度不超過13米/秒；開傘高度不小于10千米的海拔高度；能夠在1.8-3.8千帕動壓范圍內(nèi)正常開傘；回收系統(tǒng)的可靠性應(yīng)大于0.99(置信度為0.8)。

此外，基于重量、空間、動力源及其他考量，回收系統(tǒng)的設(shè)計還有開傘過載不超過7克；回收系統(tǒng)總質(zhì)量不超過26公斤；降落傘總包裝體積不超過23升；回收系統(tǒng)總功耗不超過15瓦等限制。

該論文介紹，基于效能的要求，嫦娥五號返回器回收系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)氣動減速、回收程序控制、指令狀態(tài)反饋、動作指令的瞬時執(zhí)行（如傘艙蓋彈射、降落傘拉直）?；厥障到y(tǒng)由降落傘、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)組件、回收控制和火工裝置四個子系統(tǒng)組成。

綜合考慮降落傘下降速度、開傘條件、開傘力、降落傘與航天器的組合系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性、降落傘裝置的安裝布局、質(zhì)量和體積的約束等因素，回收系統(tǒng)采用兩級減速方案——依次使用減速傘和主降落傘實(shí)現(xiàn)減速。

回收控制的設(shè)計主要包括返回器多通道指令接收、降落傘打開控制、降落傘系統(tǒng)啟動后的工作順序控制、火工裝置點(diǎn)火控制和回收系統(tǒng)的狀態(tài)反饋。

從嫦娥五號返回器的總體設(shè)計可見，回收系統(tǒng)采用側(cè)向彈蓋開傘方法，并利用傘艙蓋的彈射和分離，直接拉出減速傘包，從而實(shí)現(xiàn)減速傘的拉直。與神舟系列航天器相比，盡管開傘方法類似，但嫦娥五號的彈射方案減少了用于拉開減速傘的裝置，從而簡化了回收系統(tǒng)的組成，降低了降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。而且嫦娥五號回收系統(tǒng)的導(dǎo)引傘和主降落傘均采用單點(diǎn)吊掛設(shè)計，吊掛點(diǎn)位于降落傘艙的頂部。減速傘和主降落傘通過集成的連接分離機(jī)制依次連接到返回器。釋放機(jī)構(gòu)采用拔銷器設(shè)計，只要有一個釋放裝置拉回連接銷，減速傘吊帶上的套筒就可釋放約束，實(shí)現(xiàn)分離。

該論文指出，通過進(jìn)行地面彈射試驗(yàn)和火箭撬滑軌彈射試驗(yàn)，傘艙蓋彈射及減速傘展開得到驗(yàn)證。地面彈射試驗(yàn)證實(shí)了傘艙蓋彈射拉出降落傘的正確設(shè)計。該試驗(yàn)還設(shè)置了傘艙蓋的負(fù)壓條件，借此模擬返回器尾流影響，火箭橇彈射和減速傘展開試驗(yàn)則驗(yàn)證了動態(tài)條件下的設(shè)計正確性。

而空投試驗(yàn)是回收系統(tǒng)開發(fā)過程中最關(guān)鍵的驗(yàn)證項目。由回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)中打開的降落傘可見，在真實(shí)工作環(huán)境中，減速傘和主降落傘能實(shí)現(xiàn)完全充氣，并保證結(jié)構(gòu)完整?？胀对囼?yàn)結(jié)果表明，回收系統(tǒng)的設(shè)計及工作程序正確，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)性能滿足返回器總體要求。

嫦娥五號任務(wù)是中國探月工程“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略的最后一步，是中國第一次開展月球自主采樣返回任務(wù)，也是迄今為止中國最復(fù)雜、最具難度的太空探索任務(wù)之一?；厥障到y(tǒng)對嫦娥五號的關(guān)鍵在于其決定載有月球樣本的返回器能否安全著陸。嫦娥五號回收系統(tǒng)解決了輕小型航天器半彈道跳躍式返回和再入過程的諸多問題，比如不確定因素多、技術(shù)風(fēng)險高、結(jié)構(gòu)布局約束嚴(yán)重，產(chǎn)品集成度、輕量化、可靠性要求高等；同時，突破了輕型小型化降落傘、綜合回收控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥五號回收系統(tǒng)達(dá)到并超過了飛行任務(wù)要求，確保了中國首次月球自主采樣返回任務(wù)的圓滿成功。