我國探月工程三期再入返回飛行試驗獲得圓滿成功

2014年10月24日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征－3C改二型運載火箭成功發(fā)射了我國探月工程三期再入返回飛行試驗器（又稱嫦娥－5飛行試驗器，簡稱試驗器）以及盧森堡－4M小衛(wèi)星，把試驗器準(zhǔn)確送入近地點209km、遠(yuǎn)地點413000km的地月轉(zhuǎn)移軌道。該試驗器的主要用途是突破和掌握探月航天器再入返回的關(guān)鍵技術(shù)，為嫦娥－5任務(wù)提供技術(shù)支持。盧森堡－4M小衛(wèi)星主要用于驗證衛(wèi)星長效電池工作情況。11月1日，試驗器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，它標(biāo)志著我國探月工程三期首次再入返回飛行試驗獲得圓滿成功。這是我國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，使我國成為繼蘇聯(lián)和美國之后，成功回收探月航天器的第三個國家，表明我國已全面突破和掌握了航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)，為確保嫦娥－5任務(wù)順利實施和探月工程持續(xù)推進(jìn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

鏈接：

為了不被地球引力拉回來，試驗器飛往月球時必須以接近第二宇宙速度飛出去，返回時的速度和飛出去的速度基本一樣。所以，如果返回器在從月球返回地球時直接再入大氣層著陸很容易摔毀。因為再入速度太快，大氣層的氣動阻力不足以抵消這個高速返回的試驗器。采用跳躍式返回方式，由于增加了返回器在大氣層的“一出一入”，所以可延長試驗器在大氣層飛行的軌跡，消耗掉返回器的部分能量，并能減小著陸速度，以便選擇降落區(qū)域。蘇聯(lián)和美國探月時也曾利用過類似原理著陸，但其航程沒有我國的長，而著陸場比我國的大。由于我國的人口密度大，適合充當(dāng)降落區(qū)的地點有限，這對返回器的降落精度也提出了更高的要求。

1 任務(wù)背景

2013年12月，嫦娥－3任務(wù)圓滿完成后，我國探月工程全面進(jìn)入“繞、落、回”三步走發(fā)展規(guī)劃的第三期，計劃于2017年前后執(zhí)行嫦娥－5任務(wù)，實現(xiàn)月球無人自動采樣返回。為了突破和掌握月球探測器再入返回地球的關(guān)鍵技術(shù)，我國決定先期實施再入返回飛行試驗，即發(fā)射試驗器飛抵月球附近后自動返回，在到達(dá)地球大氣層邊緣時（距地面約120km），以接近第二宇宙速度和半彈道跳躍式再入，最終在內(nèi)蒙古中部地區(qū)以傘降形式著陸。跳躍式再入是指航天器進(jìn)入大氣層后，依靠升力再次沖出大氣層，以便降低速度，然后再次進(jìn)入大氣層。本次試驗任務(wù)以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)為主要目的，首次采用了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，用于對未來嫦娥－5返回的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗驗證。

與“神舟”飛船返回艙以大約7.9km/s的第一宇宙速度返回不同，未來嫦娥－5的返回器將以接近11.2km/s的第二宇宙速度返回?？紤]到我國內(nèi)陸著陸場等各方因素，為實現(xiàn)長航程、低過載的返回，嫦娥－5的返回器將采用半彈道跳躍式再入返回地球。通過這種特殊的返回軌道可以降能減速，因為采用半彈道式再入返回有利于控制，使落點精確；而通過跳躍式彈起然后再入，可以拉長試驗器再入距離，達(dá)到減速的目的，確保返回器返回順利。但它對控制精度提出了極高要求，如果返回器“跳”得過高，飛行器會偏離落區(qū)；如果返回器“跳”不起來，則可能會直接墜入大氣被燒毀。由于距地面60～90km的高層大氣變化無窮，受到晝夜、太陽風(fēng)、地磁場等多種因素影響，大氣變化誤差很大，所以需要返回器的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)具備很大的包容性。

如果采用彈道式再入返回，返回器的再入角較大，從而導(dǎo)致高過載和高熱流，這不僅會對返回器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防熱層提出更高的要求，而且超出了人類的過載承受能力，無法用于將來實現(xiàn)載人登月后的返回。采用跳躍式再入不但能將過載減小，防止高熱流，而且還可以改變再入軌跡，延長再入路徑。對于以接近第二宇宙速度進(jìn)入地球大氣層的航天器來說這種方法最為合適，可以減少發(fā)熱和著陸點誤差等。此外，如果主著陸場遭遇天氣突變，需要臨時調(diào)整著陸場，也能通過這種再入方式調(diào)整再入路徑，讓返回器落到備用著陸場。

試驗器在軌飛行示意圖

返回器采用半彈道跳躍式再入返回示意圖

不過，即便采用半彈道跳躍式飛行的特殊降落軌跡，返回器的“回家之路”仍有很多未知因素。以第二宇宙速度返回地球是未來嫦娥－5月面采樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回四大關(guān)鍵技術(shù)中最難的一項。因為其他三項可通過在地面上做模擬試驗的方法來驗證可靠性，而高速再入返回的過程無法通過地面模擬得到充分驗證。比如，在地面難以模擬11.2km/s左右的飛行速度，模擬高層大氣的真空度和化學(xué)反應(yīng)也十分不易。從距地面約120km高進(jìn)入大氣層時，這個高度的大氣非常稀薄，不是連續(xù)的氣流，而是分子氣層，所以會產(chǎn)生一系列特殊的氣體效應(yīng)。此外，在大氣層中超高速飛行會對返回器產(chǎn)生燒蝕，其程度也比以往要高得多。目前，我國從單純的地面實驗積累的對地球大氣特性的認(rèn)識還不充分，對返回器高速返回條件下的氣動、熱防護(hù)、高速返回的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)物理模型和數(shù)學(xué)模型掌握的也不完全，所以風(fēng)險很大。

再有，我國現(xiàn)有的載人飛船和返回式衛(wèi)星的著陸模式都無法滿足需求。由于返回器返回地球時的速度會越來越快，不但進(jìn)入大氣層時的姿態(tài)需要精確調(diào)整，而且對再入角控制的精度要求也非常高。

因此，針對探月三期月面自動采樣返回任務(wù)中返回再入速度高、航程長、峰值熱流密度高、總加熱時間長和總加熱量大等特點，為了確保嫦娥－5任務(wù)的成功，這次我國先通過試驗器進(jìn)行真實飛行，開展返回再入飛行試驗，驗證跳躍式返回再入這一關(guān)鍵技術(shù)，獲取月球探測高速再入返回地球的相關(guān)軌道設(shè)計、氣動、熱防護(hù)，以及制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，從而對此前的研究、分析、設(shè)計和制造等工作進(jìn)行檢驗，為嫦娥－5執(zhí)行無人月球取樣返回積累經(jīng)驗，為探月三期正式任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

本次任務(wù)技術(shù)新、難度大、風(fēng)險高，需要攻克氣動力、氣動熱、防熱，以及半彈道式制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。氣動力和氣動熱是返回器的關(guān)鍵問題之一，因為研究表明，再入的速度提高1倍，再入熱量就將提高8～9倍，以第二宇宙速度再入大氣層時摩擦?xí)a(chǎn)生巨大的熱能，所以必須做好返回器的熱防護(hù)設(shè)計。

2 器艙組合

此次試驗任務(wù)由試驗器、運載火箭、發(fā)射場、測控與回收四大系統(tǒng)組成。其中試驗器由中國空間技術(shù)研究院研制，它包括結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、熱控、數(shù)據(jù)管理、供配電、測控數(shù)傳、天線、工程參數(shù)測量、服務(wù)艙推進(jìn)、回收，以及制導(dǎo)導(dǎo)航與控制11個分系統(tǒng)。

試驗器由服務(wù)艙和返回器兩部分組成，總質(zhì)量為2t多，返回器安裝在服務(wù)艙上部。其服務(wù)艙以嫦娥－2繞月探測器平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計，具備留軌開展科研試驗功能；返回器為新研制產(chǎn)品，采用鐘罩側(cè)壁加球冠大底構(gòu)型，質(zhì)量約330kg，具備返回著陸功能，與探月三期正式任務(wù)中返回器的狀態(tài)基本一致。

試驗器有六方面的創(chuàng)新，即軌道設(shè)計和控制、新型的熱控技術(shù)、氣動、高精度的返回制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，以及設(shè)備的輕小型化和回收技術(shù)。

在質(zhì)量、體積大幅減少的情況下，試驗器性能不降反升，這是由于它廣泛使用了大量高智能化、高集成度、小型化產(chǎn)品。比如，新開發(fā)的小型星敏感器是一款“會思考、能自主決策”的高智能產(chǎn)品。依托嵌入在產(chǎn)品中小型智腦，該星敏感器能把提取的星圖與智腦中存儲的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、分析，從而在蒼茫的宇宙中找準(zhǔn)自己的位置、坐標(biāo)，對試驗器在太空的自由馳騁進(jìn)行姿態(tài)控制。除了“智商”高之外，該星敏感器的“情商”也不低。它能自如地應(yīng)對太陽光、星體反射光等惡劣空間環(huán)境的挑戰(zhàn)，快速做出一系列應(yīng)急響應(yīng)，在精度控制上更是達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

試驗器進(jìn)行熱真空試驗

在8天的“地月之旅”中，絕大部分時間服務(wù)艙載著返回艙前進(jìn)。只有最后的約40min，返回器再入返回地球。所以，服務(wù)艙一路上不僅要“開車”，還負(fù)責(zé)給返回器供電、供暖、數(shù)據(jù)傳輸和通信保障等。艙器分離就是剪斷連接艙器之間的一捆電線，4個爆炸螺栓炸開，服務(wù)艙要用力把返回器推到再入返回走廊，而自己也要避讓。

服務(wù)艙裝有5臺相機(jī)，用于對試驗器的地月之旅進(jìn)行拍照。相機(jī)采用了新材料以實現(xiàn)輕小型化，質(zhì)量最大的有4.1kg，最小的只有200g。它們有的是技術(shù)試驗相機(jī)，有的是魚眼鏡頭相機(jī)。這些相機(jī)也可拍視頻，為便于傳輸，一段連續(xù)視頻不超過30s。其上的第二代CMOS相機(jī)是把輕量化做到極致的一款產(chǎn)品，每臺相機(jī)只有巴掌大小，質(zhì)量不及一個蘋果重，卻集光、機(jī)、電、熱等多項先進(jìn)技術(shù)于一身，具有長壽命、高可靠、自動拍攝、實時圖像壓縮，能應(yīng)付惡劣太空輻射、溫度環(huán)境，能承受發(fā)射時的強(qiáng)烈沖擊和振動等高強(qiáng)本領(lǐng)。

服務(wù)艙進(jìn)行太陽電池翼展開試驗

試驗器的返回器雖然比“神舟”飛船的返回艙小許多，但是它“麻雀雖小五臟俱全”，其法蘭和焊縫的數(shù)量一點不比飛船返回艙少，因而難度要高出好幾個量級。一般情況下，每顆衛(wèi)星只進(jìn)行一次整星熱試驗，而此次返回器的熱試驗總數(shù)量不下10余次。

返回器在返回大氣層時受到氣動作用，會產(chǎn)生各種各樣的力和力矩。為了使返回器自身的氣動特性具有穩(wěn)定性，氣動專家做了很復(fù)雜的計算，進(jìn)行了大量的風(fēng)洞實驗，最后根據(jù)這些實驗數(shù)據(jù)，選擇了鐘鼎形作為返回器的外形設(shè)計。

返回器的造型比較獨特，是一個底面直徑和高度都只有1.25m的錐形體，其小小的“身軀”在熱試驗中的加熱分區(qū)有多達(dá)32個。由于它分區(qū)多，接口多，而且構(gòu)型不規(guī)則，所以給紅外加熱籠的設(shè)計制造帶來很大難度。加熱籠與艙體之間的安全距離需精確把握，如果離得太遠(yuǎn)，加熱籠帶條加電后輻射溫度難以滿足高溫要求，達(dá)不到預(yù)期試驗效果；如果離得太近，艙體部分位置可能超出溫度承受上限，容易造成表面損傷。為此，采取了三維設(shè)計與熱分析仿真相結(jié)合的方式，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(cè)壁的方案，從而順利完成了返回器紅外加熱籠的量身定做，確保了熱試驗有效進(jìn)行。

返回器上首次應(yīng)用了國產(chǎn)宇航級環(huán)路熱管。目前，世界上擁有同類核心技術(shù)的只有美國、俄羅斯和法國。在返回器外部還包覆一層特殊材料，它可以把摩擦產(chǎn)生的熱量隔絕掉，不讓它灌入艙內(nèi)。

由于返回器降落時的速度非?？?，不可能依靠地面遙控來指揮。為此，專門開發(fā)了半彈道跳躍式飛行的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)技術(shù)，讓返回器能自主控制，這是再入飛行的關(guān)鍵。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(jìn)入大氣層時，返回器表面會因為高溫?zé)g使其外形和質(zhì)量發(fā)生改變，因此在第二次進(jìn)入大氣層時，返回器就必須考慮到這些因素進(jìn)行自動調(diào)整。

制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的任務(wù)是把返回器準(zhǔn)確帶回著陸場。制導(dǎo)是根據(jù)當(dāng)前飛行情況找到一條路徑；導(dǎo)航是準(zhǔn)確知道位置；控制就是讓返回器怎么走到這條路徑上來。在返回器“回家”的整個控制過程中，最大的困難就是大氣環(huán)境的不確定性。高空大氣密度變化范圍有±80%，低空大氣密度變化范圍是20%～40%。進(jìn)入大氣層后，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)要實時對氣動參數(shù)、大氣密度進(jìn)行辨識、仿真、計算。這些必須在極短的時間內(nèi)完成，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)經(jīng)受了極大考驗。

返回器的防熱設(shè)計也是這次試驗的重要科目。為了應(yīng)對與大氣層超高速摩擦帶來的高溫問題，專家們已開發(fā)了多項熱防護(hù)技術(shù)。此外，返回器的特殊需求也為熱防護(hù)技術(shù)帶來了難題。例如，在太空時，返回器內(nèi)部的電子設(shè)備工作會產(chǎn)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(chǎn)生的上千度高溫需要隔絕。這些難題均已通過新型防熱材料和結(jié)構(gòu)克服了。

在此次任務(wù)實施中，月地返回、半彈道跳躍式高速再入返回、返回器氣動外形設(shè)計、返回器防熱設(shè)計，以及驗證半彈道跳躍式再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制和輕小型化回收著陸技術(shù)等六大技術(shù)難點是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵。這次飛行任務(wù)驗證了探月三期的六項關(guān)鍵技術(shù)。

吊運返回器

一是驗證了返回器氣動外形設(shè)計技術(shù)。利用飛行試驗獲取的數(shù)據(jù)對返回器氣動設(shè)計的正確性進(jìn)行了驗證，通過數(shù)據(jù)分析比對，修正了返回器氣動設(shè)計數(shù)據(jù)庫。

二是驗證了返回器防熱技術(shù)。通過飛行過程中防熱結(jié)構(gòu)溫度變化歷程，對防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了評估，提高了熱分析的準(zhǔn)確性，測量了返回器熱蝕情況。

三是驗證了返回器半彈道跳躍式高速再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)技術(shù)。

四是驗證了月地返回及再入返回地面測控支持能力。針對返回器高動態(tài)、散布范圍大、跟蹤捕獲難等特點，綜合開展了總體設(shè)計、分析和試驗。

五是驗證了返回器可靠著陸技術(shù)。利用返回器內(nèi)側(cè)、外側(cè)、遙測和氣象數(shù)據(jù)，對返回器可靠著陸技術(shù)進(jìn)行了驗證。

六是驗證了返回器可靠回收技術(shù)。通過返回器搜索回收，驗證了空地協(xié)同搜索回收工作方法，同時具備了地面獨立搜索能力。

3 飛行過程

試驗器采用繞月自由返回軌道，在經(jīng)過了發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、月球近旁轉(zhuǎn)向段、月地轉(zhuǎn)移段、返回再入段和回收著陸段6個階段，飛行大約8.4×105km，時間長達(dá)8天4h30min的飛行過程后，在內(nèi)蒙古四子王旗著陸。在任務(wù)實施期間，我國遠(yuǎn)望號測量船隊、國內(nèi)外陸基測控站，以及北京飛行控制中心和西安衛(wèi)星測控中心，共同組成了航天測控通信網(wǎng)，為任務(wù)提供了持續(xù)跟蹤、測量與控制。這次任務(wù)的完成實現(xiàn)了四大技術(shù)突破：高速的氣動力、氣動熱技術(shù)；高熱量、大熱流的熱防護(hù)技術(shù)；高精度、高動態(tài)的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)；長距離、大范圍的再入回收測控技術(shù)。

發(fā)射段

發(fā)射段是指從運載火箭起飛開始到器箭分離為止的飛行階段。2014年10月24日02：00，試驗器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，通過運載火箭直接送入繞月自由返回軌道入口點，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

試驗器飛行的6個階段示意圖

地月轉(zhuǎn)移段

地月轉(zhuǎn)移段是指從器箭分離開始到試驗器到達(dá)距月球約6×104km的影響球邊界為止的飛行階段。

10月24日16：18～16：29，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，對距地球約1.3×105km的試驗器成功實施了地月轉(zhuǎn)移軌道的首次中途修正。這是因為在飛行過程中，試驗器會受到入軌偏差、萬有引力、宇宙環(huán)境等因素影響，所以需要實施中途修正、校正航向。通過認(rèn)真分析和精確計算，北京航天飛行控制中心研究確定了再入返回飛行試驗任務(wù)的首次中途修正控制策略，并成功向試驗器注入控制參數(shù)，順利實施了首次中途修正，為試驗器順利到達(dá)月球近旁奠定了基礎(chǔ)。在這次中途修正前，北京航天飛行控制中心控制試驗器攜帶的相機(jī)，拍攝了試驗器遠(yuǎn)離地球的飛行場景。

10月25日16：18～16：29，對試驗器實施了第2次中途修正。經(jīng)過2次中途修正后，已經(jīng)把火箭入軌偏差的影響消除了，達(dá)到了要求的軌道精度，所以取消了原定的第3、第4次中途修正。

10月27日11：30，試驗器飛抵距月球6.0×104km附近，進(jìn)入月球引力影響球，結(jié)束地月轉(zhuǎn)移軌道段的飛行，開始月球近旁轉(zhuǎn)向段的飛行。

月球近旁轉(zhuǎn)向段

月球近旁轉(zhuǎn)向段是指從試驗器進(jìn)入月球影響球開始到試驗器飛出月球影響球為止的飛行階段。試驗器在該段借助月球引力改變自身相對地球的軌道傾角，環(huán)繞月球進(jìn)行轉(zhuǎn)向飛行。

10月28日03：00，試驗器到達(dá)距月面約1.2×104km的近月點。隨后，在北京航天飛行控制中心控制下，試驗器系統(tǒng)啟動多臺相機(jī)對月球、地球進(jìn)行多次拍攝，獲取了清晰的地球、月球和地月合影圖像。

拍攝地月合影絕非想象的那么簡單。地球和月球之間本身相隔3.8×105km。此外，地球和月球二者之間大小也相差懸殊。要想拍出好的地月合影，要充分考慮到2個夾角和相應(yīng)的匹配關(guān)系，一是太陽、地球和試驗器的夾角以及太陽、月球和試驗器的夾角；二是相機(jī)的視場角與太陽、地球也要有相應(yīng)的匹配關(guān)系。

為了找到最美拍攝角，拍出地球、月球比例“般配”的“全身照”，試驗器要先飛到月球，再往遠(yuǎn)離地球、月球的方向飛出去約1.0×104km，然后要避開太陽光直射，最后選好一個合適角度，才能按下快門。為了能拍出這組大片，專家們可是下了不少功夫，對歷史上地月合影的相關(guān)資料進(jìn)行搜索整理，并根據(jù)此次任務(wù)試驗器的飛行路線，反復(fù)計算，優(yōu)中選優(yōu)，從而選定了最佳拍照角度和拍照時間。

試驗器拍攝的月地合影

拍攝地月合影的相機(jī)有3臺：1臺只有2個火柴盒大小的微型CMOS相機(jī)、1臺巴掌大小的CMOS相機(jī)，以及1臺足球般大小的雙分辨率相機(jī)。這3臺相機(jī)總質(zhì)量不及1臺“長槍”單反相機(jī)重，但都是集光、機(jī)、電、熱等多項先進(jìn)技術(shù)于一身，具有長壽命、高可靠、自動拍攝、實時圖像壓縮，能應(yīng)付惡劣太空輻射、溫度環(huán)境，能承受發(fā)射時的強(qiáng)烈沖擊和振動等高強(qiáng)本領(lǐng)。特別是雙分辨率相機(jī)，它可在同一時刻、同一位置拍出兩張不同分辨率的照片，即按下一次快門的同時得到一張全景照、一張?zhí)貙懻铡?/p>

為了確保試驗器不錯過“最美”景色，專家們準(zhǔn)備了兩套拍攝方案。第一套方案是在測算地月光亮程度的基礎(chǔ)上，取二者所需曝光度的中間值進(jìn)行拍攝；另外一套方案則是用相機(jī)分別對地球和月球進(jìn)行成像，再進(jìn)行后期組合，最終得到一張清晰的地月合影。雙管齊下，可確?！白蠲馈钡卦潞嫌巴昝莱尸F(xiàn)。

10月28日19：40，試驗器完成月球近旁轉(zhuǎn)向飛行，離開月球引力影響球，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，飛向地球。

月地轉(zhuǎn)移段

月地轉(zhuǎn)移段是指試驗器從飛出月球影響球開始到艙器分離（艙器分離點距地面約5000km）的飛行階段。試驗器在該段根據(jù)需要完成中途修正，同時完成返回器與服務(wù)艙分離的準(zhǔn)備工作。

10月30日，在原定第5次中途修正的位置進(jìn)行了第3次中途軌道修正。

返回再入段

返回再入段是指返回器從距地面約5000km分離后到返回器彈射開傘的飛行階段。

返回器在軌飛行示意圖

11月1日05：00，北京航天飛行控制中心通過地面測控站向試驗器注入導(dǎo)航參數(shù)。05：53，服務(wù)艙與返回器在距地面高約5000km處正常分離。在分離過程中，服務(wù)艙照明燈開啟，服務(wù)艙的監(jiān)視相機(jī)A、B對分離過程進(jìn)行拍照監(jiān)視。艙器分離后，服務(wù)艙上的490N發(fā)動機(jī)點火進(jìn)行規(guī)避機(jī)動。返回器在該階段首先滑行飛行，06：13，以再入姿態(tài)和接近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層，實施初次氣動減速。下降至預(yù)定高度后，返回器向上躍起，“跳”出大氣層，到達(dá)跳出最高點后開始逐漸下降。接著，返回器再次進(jìn)入大氣層，實施二次氣動減速。在降至距地面約10km高度時，返回器降落傘順利開傘，在預(yù)定區(qū)域順利著陸。擔(dān)負(fù)搜索回收任務(wù)的搜索分隊及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，迅速到達(dá)返回器著陸現(xiàn)場實施回收。其具體過程如下：

1）滑行段。艙器分離約3min后，為確保返回器安全，服務(wù)艙按照地面科技人員預(yù)設(shè)程序開始調(diào)姿，約8min后開啟發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了規(guī)避飛行。這是因為艙器分離時的速度達(dá)10.8km/s，接近第二宇宙速度，而且服務(wù)艙在返回器之前，如果不實施規(guī)避機(jī)動，可能會發(fā)生碰撞，對返回器造成巨大威脅。接著，返回器進(jìn)入了自由飛行狀態(tài)，它飛過南大西洋，從印度洋上空沿著預(yù)定軌道向著祖國大陸飛來。

2）初次再入段。06：11，返回艙建立返回再入姿態(tài)。06：13，在距離地面約120km高處，返回器進(jìn)入初次再入段飛行，返回器自主完成制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，實施初次氣動減速。

3）自由飛行段。06：17，返回器“跳”出大氣，以慣性姿態(tài)自由飛行。

試驗器返回再入段和回收著陸段示意圖

4）二次再入段。06：23，返回器再次進(jìn)入大氣，自主完成制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，實施再次氣動減速。06：27，返回器第二次飛出黑障區(qū)，建立開傘姿態(tài)。06：31，在距地面10km處，升力控制結(jié)束，壓力高度控制器接通開傘信號，彈開了傘艙蓋。

與嫦娥－1、2、3發(fā)射后就瞄準(zhǔn)月球軌道不同，對試驗器的測控從一開始就瞄準(zhǔn)了11月1日再入返回地球這一核心任務(wù)。為控制軌道精度，北京航天飛行控制中心對星敏感器、返回器慣性測量單元進(jìn)行了若干次標(biāo)定。

這是我國航天器首次采取半彈道跳躍式返回,試驗器返回著陸區(qū)時對飛行測控的要求非常高。由于受運載能力和航程所限，所以對返回器再入點參數(shù)精度要求非常高。如果把地球比作一個籃球，返回器再入角就相當(dāng)于一張薄紙，返回器必須穿過薄紙這樣的縫隙，才能安全返回地球。由于返回再入走廊非常窄，再入角只能有±0.2°的誤差。如果再入角過小，試驗器就不能返回地球；如果再入角過大，不能實現(xiàn)第一次的彈出，會越過既定的防護(hù)設(shè)計，所以大于或小于這個角度，都不能正常返回，這就要求對軌道的控制能力必須很高才行。

采用半彈道跳躍式再入返回，彈道誤差一般比一次性返回的誤差大，返回時一方面需要高精度的控制返回器準(zhǔn)確進(jìn)入返回走廊，另一方面要實時預(yù)報返回彈道，引導(dǎo)地面站及時有效地捕獲返回器。

返回器兩次高速進(jìn)入大氣層都會產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象。高速摩擦?xí)狗祷仄鞅砻鏆饣?，產(chǎn)生等離子鞘，屏蔽返回器與地面的聯(lián)系。雖然在“黑障”過程中天地通信會中斷，但返回器不會失控，因為一些重要指令在進(jìn)入“黑障”之前就已經(jīng)注入返回器，返回器可以按照預(yù)設(shè)內(nèi)容來執(zhí)行指令。

回收著陸段

回收著陸段是指返回器從彈射開傘開始到著陸并成功回收為止的飛行階段。

06：42，返回器安全著陸?？蒲腥藛T將對回收后的返回器及此次再入返回飛行試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，為優(yōu)化完善嫦娥－5任務(wù)設(shè)計提供技術(shù)支撐，服務(wù)艙將繼續(xù)在太空飛行，并開展一系列拓展試驗。

4 其他亮點

運載火箭

這次發(fā)射試驗器的長征－3C改二型火箭采用了“天基測量”技術(shù)，即通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星向地面技術(shù)人員傳輸火箭飛行過程的實時遙測數(shù)據(jù)，這種新技術(shù)相當(dāng)于給火箭配備了“實時問診器”，可對飛行中的火箭進(jìn)行全程實時測控。此發(fā)火箭還首次采用了最新的高碼率傳輸技術(shù)，它如同“寬帶傳輸”，可增加測量點、提高數(shù)據(jù)傳輸速度、增大數(shù)據(jù)傳輸量（由2Mbit/s提升到5Mbit/s），進(jìn)一步降低測控盲區(qū)；它與“實時問診器”一起，可保證地面技術(shù)人員即時掌握火箭的飛行動態(tài)。此次發(fā)射對運載火箭有兩大考驗：一是入軌精度要求高，火箭要將試驗器準(zhǔn)確送到繞月自由返回軌道“入口”；二是在試驗器與末級火箭分離后，末級火箭也會跟著試驗器進(jìn)入繞月自由返回軌道，并再入返回地球，末級火箭再入速度快、落點散布大，會給末級殘骸的落點預(yù)報和安全防護(hù)帶來極大困難。為此，返回首次利用火箭剩余能量實現(xiàn)了末級軌道修正，在確保試驗器安全的基礎(chǔ)上，將火箭末級由繞月自由返回軌道機(jī)動到一條繞地飛行的大橢圓軌道上，解決了末級再入地球可能帶來的安全問題，同時也達(dá)到了火箭末級鈍化的目的。

長征-3C改二型火箭發(fā)射試驗器

長征－3C改二型是長征－3C增強(qiáng)型火箭的首次亮相出征。與長征－3C基本型相比，它還有一些改進(jìn)、創(chuàng)新。例如，首次在長征－3C火箭上使用雙激光慣組＋衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)合制導(dǎo)的技術(shù)。事實表明，在雙激光慣組的基礎(chǔ)上，增加衛(wèi)星導(dǎo)航修正裝置，能夠保證試驗器入軌精度的萬無一失。從外形上看，它的第一級芯級火箭增高了1.5m，2個助推器加長了0.8m，運載能力由原來的3.8t提高到3.9t。同時，火箭第二級發(fā)動機(jī)采用了我國可靠性最高的長征－2F運載火箭第二級的發(fā)動機(jī)，為此次試驗任務(wù)提供了更為強(qiáng)勁的運載能力和更高的飛行可靠性。

測控回收

這次任務(wù)對飛行控制最根本的要求是確保試驗器安全再入返回，得到完整的實驗數(shù)據(jù)；最大的挑戰(zhàn)之一是完成對試驗器的精確控制；最核心的難題之一是試驗器半彈道跳躍式再入返回軌道的控制與應(yīng)急處置。為確保這次飛行試驗飛控任務(wù)的順利完成，北京航天飛行控制中心應(yīng)用三站聯(lián)合接力跟蹤測量，新建的深空干涉測量中心也首次實時參加任務(wù)，從而滿足了再入返回時高精度軌道的要求；先后完成了76套各類方案、預(yù)案的研制工作；突破和掌握了高精度的繞月自由返回軌道定軌及預(yù)報、高精度的軌道控制、跳躍式返回過程預(yù)報與引導(dǎo)，以及高密度測控協(xié)同與動態(tài)規(guī)劃調(diào)整等多項關(guān)鍵技術(shù)。北京航天飛行控制中心有針對性地開發(fā)了“任務(wù)計劃智能編輯系統(tǒng)”和“雙目標(biāo)計劃自動拼接軟件”，有效解決了指令計劃編輯困難、易出錯和多目標(biāo)指令編排交叉重疊的問題。有了這兩個智能“小幫手”的幫助，為試驗器安排工作就變得既安全可靠，又高效快捷。

這次探月任務(wù)大大小小的故障預(yù)案多達(dá)144個。為此，北京航天飛行控制中心有一個叫做“故障快速診斷系統(tǒng)”的軟件，用于試驗器快速“體檢”。這套“體檢”系統(tǒng)包含遙測快速處理、信息快速監(jiān)控和故障快速診斷3個軟件，快速、高效是它們的最大特點。相比以往任務(wù)，這次任務(wù)“體檢”進(jìn)入了快時代。

在這次任務(wù)中，北京航天飛行控制中心順利實現(xiàn)了4項關(guān)鍵技術(shù)的突破，航天測控能力有了新的提高。

試驗器采用“8”字形的繞月自由返回軌道

一是高精度的繞月自由返回軌道定軌及預(yù)報技術(shù)。由于采用了全新的繞月自由返回軌道，所以對定軌和預(yù)報精度的要求很高，而且這次任務(wù)軌道控制次數(shù)多、姿態(tài)機(jī)動頻繁，影響軌道測量精度的因素復(fù)雜。北京航天飛行控制中心模擬了各類誤差進(jìn)行仿真打靶分析，設(shè)計制定了適用于各個階段的數(shù)據(jù)使用原則和定軌策略；研究制定了利用圣地亞哥、瑪斯帕拉瑪斯和納米比亞三站接力跟蹤、聯(lián)合測軌的實施方案，實現(xiàn)了定軌和預(yù)報的高精度要求。

二是高精度的軌道控制技術(shù)。在這次任務(wù)中，3次中途修正控制均瞄準(zhǔn)再入點，其控制策略、軌控模式、約束條件等，均較以往任務(wù)變化較大。對此，北京航天飛行控制中心研究設(shè)計了以瞄準(zhǔn)再入點參數(shù)為目標(biāo)的全新中途修正算法，制定了通過組合修正實現(xiàn)航程調(diào)整、入軌異常等情況下的應(yīng)急控制策略，設(shè)計了抬高服務(wù)艙軌道近地點等規(guī)避方案，解決了基于繞月自由返回軌道的策略規(guī)劃和應(yīng)急控制這一難題。

三是跳躍式再入返回過程預(yù)報與引導(dǎo)技術(shù)。由于實施半彈道跳躍式再入返回，所以返回器上的制導(dǎo)控制方法復(fù)雜，氣動影響預(yù)測難度大，產(chǎn)生風(fēng)險的因素很多。為此，北京航天飛行控制中心結(jié)合返回器制導(dǎo)原理，利用返回器氣動參數(shù)制定了落點預(yù)報與引導(dǎo)實施方案；并與試驗器研制單位密切協(xié)作，開發(fā)了彈道預(yù)報的計算方法和軟件，確保了返回預(yù)報和引導(dǎo)的順利實施。

四是高密度測控協(xié)同與動態(tài)規(guī)劃調(diào)整技術(shù)。由于這次任務(wù)發(fā)令密集、控制頻繁、環(huán)環(huán)相扣，所以需實現(xiàn)快速靈活的飛控任務(wù)動態(tài)規(guī)劃，以確保兩器之間、天地之間的高度協(xié)同控制。北京航天飛行控制中心通過對各次關(guān)鍵控制的飛控計劃、測控資源及實施流程進(jìn)行了統(tǒng)籌和優(yōu)化，對各類關(guān)鍵指令設(shè)計了預(yù)備計劃發(fā)送和人工判發(fā)的備保措施，并利用自動追趕發(fā)令、雙目標(biāo)修正發(fā)令、多源遙測比判等手段，實現(xiàn)了飛控快速應(yīng)變和動態(tài)規(guī)劃能力。

在此次飛行試驗中，由于返回器目標(biāo)小、再入速度快、落點散布范圍廣，所以給著陸場搜索回收帶來了很多新的考驗，特別是此次試驗無氣象備份著陸場。試驗器發(fā)射升空后，回收時間隨即確定。即使回收任務(wù)當(dāng)天著陸場區(qū)氣象條件不滿足直升機(jī)起飛條件，無法實現(xiàn)“空地聯(lián)合搜索”，也要由地面分隊獨立完成搜索回收任務(wù)。

為了確保返回器搜索回收任務(wù)圓滿完成，從今年8月開始，著陸場區(qū)前置雷達(dá)站、地面測控站、氣象臺人員就陸續(xù)進(jìn)場展開工作，先后4次組織綜合搜索回收演練，熟練掌握了返回器回收處置的各種技能。在試驗器再入返回時，著陸場區(qū)的跟蹤測量、搜索回收、通信保障、氣象保障等系統(tǒng)裝備工作正常。

5 多個第一

這次任務(wù)實現(xiàn)了我國航天的多個“首次”。首次讓航天器從月球回到地球；首次成功采用半彈道跳躍式再入返回技術(shù)；首次突破了第二宇宙速度再入情況下的一些防熱技術(shù)；首次驗證了在大范圍內(nèi)的小目標(biāo)搜索能力，因為返回器的體積只有“神舟”飛船返回艙的1/8；首次采用了“8”字形的繞月自由返回軌道，這種特殊設(shè)計巧妙地利用了地球和月球引力，使試驗器飛抵月球附近后能繞半圈自動改變軌道方向、軌道傾角向地球飛來，從而節(jié)省了中途軌道修正所需的推進(jìn)劑，借助月球引力完成轉(zhuǎn)彎并返回地球；首次應(yīng)用了深空探測可視化系統(tǒng)，等等。

首次再入返回飛行試驗的圓滿成功，為全面完成探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)打下了堅實基礎(chǔ)，對我國月球及深空探測乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。