2020年12月17日凌晨，嫦娥五號返回器經(jīng)過20多天的太空任務(wù)，載著兩公斤月壤樣品成功著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域，這是時隔44年來人類再一次獲得月球土壤，這標志著我國制定的探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略規(guī)劃如期完成，嫦娥五號的大獲全勝讓我國掌握了月地返回的關(guān)鍵技術(shù)，為接下來可能的載人登月奠定了堅實基礎(chǔ)。

嫦娥五號返回器著陸

嫦娥五號是我國迄今為止難度最大、最為復(fù)雜的航天任務(wù)之一，一項主要任務(wù)就是月球取樣，然后將其安全帶回地球，因此為了能夠保證月壤樣品的完整性就必須設(shè)計一條可靠的“回家”路徑，我國采用的就是全新的第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，而讓返回器“跳”一下是如何實現(xiàn)的呢？

嫦娥五號上升器月面起飛效果圖

在嫦娥五號月球取樣之前，只有大洋彼岸、蘇聯(lián)的月球探測器成功著陸月球并且安全返回，據(jù)悉國外再入航天器共分為3種類型，包括彈道式再入航天器、彈道-升力式再入航天器、升力式再入航天器。由于嫦娥五號返回器以第二宇宙速度再入大氣層，高溫效應(yīng)更加嚴重，為了延長減速過程和冷卻時間，降低高溫對返回器的傷害，因此我國科研人員采用了全新的半彈道跳躍式再入方案。

高速半導(dǎo)彈跳躍式再入返回軌跡

嫦娥五號返回器在接近大氣層時的再入速度接近第二宇宙速度，也就是每秒11.2公里，接近33馬赫，民航客機高空巡航時的速度大約為900公里每小時，相當于每秒250米，也就是說第二宇宙速度相當于民航客機巡航速度的45倍，因此想要在如此速度下在距離地球60公里高處再次返回宇宙空間，能夠成功實現(xiàn)太空“打水漂”，氣動設(shè)計相當關(guān)鍵。

返回器再入大氣層

相較于近地軌道航天器返回地球所處的環(huán)境不同，月球探測器由于高速再入會導(dǎo)致氣流更加復(fù)雜，高溫熱效應(yīng)、輻射加熱影響較大，想要突破氣動設(shè)計難題就必須解決外形、質(zhì)心、數(shù)據(jù)三大難題，為此我國科研人員通過多方面試驗，提出了適用于輕型半彈道式的氣動設(shè)計方案、配平質(zhì)心盒設(shè)計方法、適用于第二宇宙速度再入的氣動特性計算方法等，并于2014年成功發(fā)射嫦娥五號T1試驗器，該試驗器采用了球冠鐘形體構(gòu)型，頂部安裝有兩片穩(wěn)定翼，也就是“配平質(zhì)心盒”，保證了返回器再入返回時的穩(wěn)定性，此次嫦娥五號返回器就是繼承了嫦娥五號T1試驗器的設(shè)計方案。

嫦娥五號T1返回器

除了采用半彈道跳躍式再入返回技術(shù)來延長減速過程和降低溫度外，嫦娥五號也首次采用了迎風面設(shè)計，返回器采用了全新的7種材料，針對于返回器“迎風面”和“背風面”專門選用了不同的材料，由于返回器迎風面承受的溫度高，大底前端最高溫度甚至達到了1萬度以上，因此耐熱材料的厚度要高很多，而背風面溫度相對較低，耐熱材料厚度相應(yīng)的減少很多，為的就是減輕返回器的整體質(zhì)量，這也是我國航天器的一個全新設(shè)計。

嫦娥五號T1試驗器

此次嫦娥五號在完成月面采樣后返回器之所以在太空停留數(shù)日，除了地球圍繞月球公轉(zhuǎn)的影響外，一個很重要的原因就是返回器采用的是鐘形設(shè)計，缺點就是升阻比偏低，月地入射窗口期較窄。

嫦娥五號返回器

為了能夠權(quán)衡高升阻比、配平質(zhì)心盒設(shè)計，我國設(shè)計出了倒錐形新一代載人飛船，在航天器返回器上安裝了一款大推力雙組元姿態(tài)控制發(fā)動機，做到了可靠飛行、精準回收，落地著陸時甚至打出了10.8環(huán)的絕佳成績。

新一代載人飛船

從我國實行的探月工程和新一代載人飛船來看，我國是在為下一步載人登月積累人才儲備和技術(shù)，此次嫦娥五號采用的月球軌道交會對接方案也為載人登月奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，相信在中國航天人的努力下，相信不久的將來，月球上定會迎來第一位中國人！