深空探測是一個國家綜合實力的象征，我國首次實施的再入返回飛行試驗，將為2017年前后承擔“無人采樣返回”任務的嫦娥五號提供技術支持

　　在寂靜的太空中，美麗的月球再次迎來來自地球的訪客。

　　北京時間10月24日凌晨，我國自行研制的探月工程三期再入返回飛行試驗器(下文簡稱“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，準確進入地月轉移軌道。

　　飛行試驗器，被科研工作者親切地稱為“探路小兵”。發射升空后，“探路小兵”將經歷星箭分離、地月轉移、月球近旁轉向、月地轉移、再入返回、回收著陸等6大關鍵節點，整個過程約8天，預計將于11月1日返回地球。

　　航天科技集團五院飛行試驗器總指揮、總設計師楊孟飛介紹，此次“探路小兵”出行，如何安全地“回娘家”將是一個艱巨的挑戰。

　　“探路小兵”究竟由哪幾部分組成？它承擔著的主要任務目標是什么？面臨著哪些風險？在研制過程中有哪些秘訣？帶著諸多疑問，《了望》新聞周刊記者專訪了“探路小兵”的研制單位——中國航天科技集團公司第五研究院(下文簡稱“五院”)。

　　把實驗室從地面搬到天上

　　2013年12月，嫦娥三號任務圓滿完成后，我國探月工程轉入三期，即“繞、落、回”規劃的第三步。飛行試驗器的成功發射，開啟了我國探月的新征程。

　　激流勇進的深空探測，向來講求爭分奪秒、以快為先。我國計劃于2017年在海南文昌航天發射中心發射嫦娥五號月球探測器，進行無人自動采樣返回試驗。

　　與嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號相比，嫦娥五號的結構要復雜得多，由軌道器、上升器、著陸器和返回器等組成。而實施月地返回、半彈道跳躍式高速再入返回、返回器氣動外形設計、返回器防熱設計、驗證半彈道跳躍式再入制導、導航與控制以及輕小型化回收著陸技術等六大技術難點是決定任務成敗的關鍵。

　　為了驗證這些無法在地面進行試驗的技術，必須“把實驗室從地面搬到天上”，“探路小兵”甘當開路先鋒，與時間賽跑。

　　在此次任務中，“探路小兵”并不需要走完未來嫦娥五號要走的全程，而將重點考察從距地約38萬公里的月球返回地球的回家之路。通俗地說，它的主要任務就是解決怎么順利飛到月球和怎么從月球安全、順利地回來。

　　“如同從高空往下扔石頭一樣，距離地面越高，石頭落地的速度就越快”，楊孟飛介紹說，這是我們第一次試驗從月球返回地球。飛行試驗器從距離地球38萬公里的月球返回地球時將會越飛越快，到達地球時的速度將十分恐怖，回到大氣層時接近第二宇宙速度(11.2公里/秒)，這要比神舟飛船返回地球的速度快很多，而與之相隨的摩擦熱防護等風險將嚴重威脅著“探路小兵”。

　　專家說，此次試驗一大難點在于采用“半彈道跳躍式再入”方式返回地球。打個比方，“半彈道跳躍式再入”類似于在河邊打水漂，這個特殊的返回軌道目的在于降能減速，確保整個產品返回。

　　從2013年12月嫦娥三號探測器成功落月，到此次飛行試驗器再次出征，我國的探月工程實施進程不斷提速。中國科學院院士、飛行試驗器總指揮、總師顧問葉培建說，探月工程“繞、落、回”三步走的戰略步驟，相互關聯，又不完全按順序排列，拿二期工程“落”和三期工程“回”來說，兩期任務各自有安排。同時，從嫦娥一號、二號，到三號任務，每次都完成得十分出色，原有的一些備份星的計劃安排也相應進行了調整，整個探月工程的進程實際上已經加快了。

　　“小果核”上的巧焊接

　　為了節省發射成本，“快、好、省”地驗證這一技術，五院的科技工作者巧妙設計了“探路小兵”嬌小的外形和強健的體魄，并在新產品、新技術、新工藝上下足了功夫，通過一系列的技術創新，為飛行試驗器武裝起了更輕量、更穩定、耐高溫性更強的“霓裳羽衣”。

　　楊孟飛介紹，飛行試驗器由服務艙和返回器組成，其中，服務艙為2000多公斤，是個“大塊頭”，而返回器只有300多公斤，是與“大塊頭”緊密相連的“小不點”。

　　飛行試驗器共有十一個分系統，即：結構分系統、機構分系統、熱控分系統、數管分系統、供配電分系統、測控數傳分系統、天線分系統、工程參數測量分系統、GNC、服務艙推進分系統、回收分系統。身著金色多層材料的服務艙以嫦娥二號衛星平臺為基礎進行適應性改進設計，而銀色的返回器則與探月三期正式任務中返回器的狀態基本保持一致。

　　從外觀上看，飛行試驗器的返回器很像是神舟飛船返回艙的縮小版。與神舟飛船返回艙相比，返回器的橫截面積僅為飛船的1/2，質量僅為飛船的1/10。

　　航天科技集團五院工藝師樊曉霞說：“雖然返回器小，但‘麻雀雖小五臟俱全’，法蘭和焊縫的數量一點不比飛船返回艙少。這就像在一塊大木板和一個小果核上雕刻同樣復雜的雕像，顯然后者的難度要高出好幾個量級。”

　　在“嬌小”的返回器艙體上焊接，這給師傅們出了個難題。五院529廠焊接工藝師曾如川介紹說，“別看艙體小，上面可是焊縫縱橫交錯。有些焊縫之間的距離非常近，焊接時很容易產生相互的疊加影響，產生較大的焊接變形。”以往飛船返回艙在焊接時采用的是整體式工裝，由于艙體大、焊縫間距遠，焊接時一般不用擔心疊加影響，但這個方法很明顯不適用于“濃縮版”的返回器。

　　既然整體式工裝行不通，那能不能“化整為零”呢？經過深入學習、反復琢磨，曾如川設計出了一套全新的分體式工裝，每次只固定一個法蘭，焊接完了再進行下一個。這套工裝結構形式簡單，裝配操作方便，各個法蘭裝配和焊接過程互不影響和干涉，高質量地解決了“小”艙體帶來的焊接難題。

　　私人定制巧渡“冰火兩重天”

　　“探路小兵”此次旅行前通過了重重考核。以熱試驗來說，一般情況下即使像東方紅四號這樣的大衛星，每顆衛星一次整星熱試驗即可，而返回器的熱試驗總數量不下十余次，可謂前所未有之多。

　　五院總環部還專門為其設計了紅外加熱籠，讓“探路小兵”能更真實地提前感受太空的環境，以保證其能在太空之旅中順利渡過“冰火兩重天”的考驗。

　　據介紹，飛行試驗器的返回器造型比較獨特，是一個底面直徑和高度都只有1.25米的錐形體，小小的身軀在熱試驗中的加熱分區就多達32個。

　　總環部返回器熱試驗負責人李振偉說，“這次返回器的紅外加熱籠，分區多，接口也多，而且構型不規則，給設計制造帶來了很大的難度。”

　　熱試驗的難度還遠遠不止這些。加熱籠與艙體之間的安全距離也不好把握，如果紅外籠離艙體太遠，加熱籠帶條加電以后輻射溫度難以滿足高溫要求，這將導致熱試驗不充分，不能達到預期效果；如果紅外籠離艙體太近，艙體部分位置可能超出溫度承受上限，就很容易造成表面損傷。

　　面對挑戰，總環部真空熱環境試驗設計組通過仔細研究返回器的外形尺寸、認真分析熱流和操作安裝要求，采取了三維設計與熱分析仿真相結合的方式，最終確定采用5片紅外加熱籠拼合包裹大底、5片紅外加熱籠拼合覆蓋側壁的方案，順利完成了返回器紅外加熱籠的設計制作，為返回器量身定做出了一件精致的“衣裳”，確保了熱試驗可靠、有效地進行。

　　“探路小兵”的“秘密武器”

　　雖然飛行試驗器的返回器只有神舟飛船返回艙大小的十分之一，重量只有300多公斤，尚不及國外同類試驗器返回艙動輒數噸重塊頭的一個零頭。可就是憑借這副小身板，試驗器能做出“打水漂”式再入返回等一系列高難度動作。其中的秘訣何在？

　　五院總體部彭兢副總師介紹說，飛行試驗器在重量、體積大幅減少的情況下，性能不降反升的“秘密武器”在于其廣泛使用了大量高智能化、高集成度、小型化產品。眾多體積小、重量輕、性能高的小產品，共同打造出了飛行試驗器“身材雖小本領大”的硬朗風格。由五院人自主研發的小型星敏感器、第二代CMOS相機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“會思考、能自主決策”的高智能產品。依托嵌入在產品中的小型智腦，敏感器能把提取的星圖與智腦中存儲的海量數據進行比對、分析，從而在蒼茫的宇宙中，找準自己的位置、坐標，對航天器在太空的自由馳騁進行姿態控制。同時，星敏感器還能自如地應對太陽光、星體反射光等惡劣空間環境的挑戰，快速做出一系列的應急響應，在精度控制上，更是首屈一指，達到毫厘不差的國際領先水平。

　　第二代CMOS相機是五院508所把輕量化做到極致的一款產品。每臺相機只有巴掌大小，重量不及一個蘋果重，卻集光、機、電、熱等多項先進技術于一身，具有長壽命、高可靠、自動拍攝、實時圖像壓縮，能應付惡劣太空輻射、溫度環境，能承受發射時的強烈沖擊和振動等特點。首張中國人自己拍攝的地球全景彩色圖像、人類第一次近距離拍攝的“圖塔蒂斯”小行星等照片，均是出自第二代CMOS相機。

　　“深空探測領域是一個國家綜合實力的象征”，葉培建說，五院一直以來把深空探測作為技術創新的制高點，通過加強新技術、新產品的在軌驗證，不斷提升我國空間技術的整體水平。以第二代CMOS相機為例，五院508所正在推進產品的模塊化設計，力求通過模塊的獨立封裝，提升產品的批生產能力，讓高質、高優的產品服務更多航天器，甚至走進人們的日常生活中。(文/《了望》新聞周刊記者袁元 特約撰稿伍軒)