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一、嫦娥五号背后的“科工力量”

据报道，嫦娥五号返回器从月球飞回来的速度是接近每秒11.2公里的第二宇宙速度，高速进入大气层时将剧烈摩擦产生高温，热量急剧提升为航天器返回带来巨大挑战。因此，嫦娥五号安全顺利返回地球首先要解决的是减速问题。

1、实现太空“打水漂” 

▲嫦娥五号半弹道跳跃式再入返回模拟动图

五院所属总体设计部的轨道设计师们决定借助地球大气层这个航天器再入返回的天然屏障，通过空气摩擦产生的阻力实现减速目的，并提出了一个大胆的方案——半弹道跳跃式再入返回，就像在太空中“打水漂”。返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后再以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面，整个过程环环相扣。

飞行“打水漂”过程都是由五院所属的502所为嫦娥五号配备的智能自主的GNC系统在控制。为了保证嫦娥五号任务这最后一关中返回器能“顺利跳起，准确着陆”，502所科研人员面对挑战勇于承担，从方案到单机、再到软件，攻克了一系列拦路虎，并在返回器GNC系统的研制过程中先后完成了无以计数的模拟飞行试验，模拟了上百万条飞行路线，虽然返回器最终的飞行轨迹不是和那百万条中的任一条相同，但也是无出其右。

2、创新气动设计

作为返回器热防护、GNC以及回收等分系统设计与仿真的重要输入，气动技术研究工作的全面性和正确性也是返回器成功实施跳跃式高速再入返回的关键。返回器高速再入导致复杂流动效应影响增大，各种复杂流动效应将对返回器气动力、热特性产生巨大影响；

其次，由于跳跃式再入，烧蚀、燃料消耗等各种因素使得二次再入地球大气的外形适应不确定性增加；再有一点，由于轻小型化要求，探月三期返回器尺寸比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小很多，尺寸的减小和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性下降，对气动特性预估准确度等方面也提出了更高的要求。

▲嫦娥五号返回器再入大气模拟图

面对种种困难，总体设计部气动团队并没有退缩。经过一轮轮研究讨论，一次次分析计算，有针对性的技术攻关与试验验证，最终完成了轻小型半弹道跳跃式深空高速再入返回器的气动外形设计和气动特性研究，突破了多项关键技术，填补了多项国内空白，并在探月三期再入返回飞行试验器任务中得到了有效验证，为嫦娥五号任务圆满成功立下了汗马功劳。

3、巧妙设计“防热神器”

探测器返回途中的另一个拦路虎就是温度。总体设计部防热结构设计团队为探测器巧妙设计了一件“贴心防热衣”。首先，针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求，提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标，从33种新研材料中筛选出了7种防热材料，完成了防热材料的布局和局部防热结构设计，实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。其次，提出了三维传热烧蚀分析方法，实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验，为任务的成功奠定了基础。

▲嫦娥五号探测器

在嫦娥五号探测器众多关键技术中有一项令人拍案赞叹的技术，让返回器在遥远的旅程中成功抵抗温差高达几百度的宇宙环境和烧蚀环境，这就是五院总体设计部热控设计师们攻克的异构式环路热管热控技术。

可别小看这套小小的环路热管，它可是返回器可调节热导的“热开关”，是针对返回器再入大气前大热耗散热需求与再入过程中隔绝烧蚀高温需求两个相互矛盾的设计约束而专门设计的，有效解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调节和再入过程中热阻断的技术难题。

4、别具匠心的降落伞

此次嫦娥五号任务，五院所属的508所研制的回收系统发挥着“最后的关键作用”，承担着月球“挖土”、“带货”任务接力的“最后一棒”。因此此次任务对回收系统的要求极为苛刻，一方面是此次成功带回样品要求回收系统的高可靠性，通过降落伞气动减速装置进一步将返回器的下降速度降低，确保携带所采集的月球样品的返回器以规定的安全速度着陆在内蒙古四子王旗；另一方面就是在满足嫦娥五号探测器总体的各种约束条件下进行轻量化设计，可以用“克克计较”来形容。

▲嫦娥五号返回器降落伞打开模拟图

嫦娥五号回收系统采用了非常规的两级伞减速方案，即采用减速伞和主伞分别对返回器进行减速。其中主伞约为50平米，而减速伞则更小了，只有2平米。这个设计一方面是与返回器重量匹配的减速要求,另一面是返回器返回时的稳定性要求等。除此之外，嫦娥五号降落伞还有一个匠心设计，那就是舱盖伞，只有1平米，顾名思义，就是避免舱盖打开后快速追上舱体影响主伞正常开伞而做的一个降低舱盖飞行速度的设计。为了确保任务的成功，为了确保回收系统设计的可靠性，在整个研制过程中总共进行了近500次各种试验的验证。

二、嫦娥五号背后的“大学力量”

在整个“挖土”过程中，机械臂及末端采样器既要避免与月面岩石障碍物或探测器本身发生碰撞，还要能够高效精确地完成采样、放样、抓罐、放罐等关键操作。于起峰院士课题组创造性地设计出了基于视觉引导的月面采样位姿测量方案，相当于给执行任务的机械臂装上一双“慧眼”

由于在已有的月球采样返回任务中没有使用摄像测量技术的先例可循，这给该方案的设计带来了极大的挑战。此外，月面成像环境极其恶劣：月昼温度可高达150℃，月夜下降到近零下180℃，再加上光照和辐射变幻莫测，这让传统的摄像测量方法难以适用。

为了保证该项任务能够圆满完成，实验室团队成员长期去到北京航天某所，埋头于月面环境模拟实验室中，紧抠技术上的点滴细节，力争在每一个环节上都做到精益求精，终于设计研发出了一套月壤表层采样机械臂视觉引导系统，并且成功通过了嫦娥五号初样和正样的研制测试。

2）为嫦五回“家”保驾护航

“嫦五”此行的一大任务是，获取月球样品返回地球。作为我国首次月球采样返回任务，有望为“绕、落、回”三步走发展战略画上圆满的句号。因此嫦娥五号的“硬件”极其复杂，它由轨道器、返回器、着陆器、上升器“四件套”组成。着陆器将在月表采集到的“宝藏”交给上升器，上升器从月面上升，与轨道器（含返回器）在太空“汇合”，返回器离开轨道器，返回地球。

国防科大载人航天任务规划与系统仿真课题组针对上升器与轨道器（含返回器）的环月交会对接任务，展开科研攻关，研制了相关模型和软件，为成功完成“太空之吻”提供技术支撑。

3）为嫦五安全着陆提供支撑

发射段和回收段是航天中最惊险、最可能出故障的阶段，降落伞回收系统又是动力学中最复杂的系统，地面上空十公里以内的风变化非常频繁，不确定因素极多，不仅要找出哪块出了问题，还要不断做空投验证，其过程反反复复，极其磨人。

针对嫦娥五号网格化搜救任务的需求，自2020年7月以来张青斌研究员带领的团队，反复进行模型校核分析，研究着发射场历年风场特征和降落伞回收系统的多项不确定性因素，建立“嫦娥五号”降落伞回收系统不确定性条件下的快速分析模型。这套软件将首次应用于“嫦娥五号”的搜索回收任务，通过对返回器开伞后飞行轨迹的偏差分析，预测返回器的飞行管道，为搜救力量提供精确、详细的引导信息。

2011年，团队承担了嫦娥五号降落伞回收分系统的设计仿真研究工作；今年又承担了“嫦娥五号”返回器降落伞减速阶段的飞行管道计算与落点预报工作，为返回器的搜救任务提供了技术支撑。

北京航空航天大学作为新中国第一所航空航天高等学府，建校以来，一直是国家重点建设的高校，有10个国防特色学科。在2020软科世界一流学科排名中，航空航天工程学科连续第三年蝉联世界第一。长征五号运载火箭、嫦娥五号探测器的研发和发射都有北航人的贡献！

1）长征五号运载火箭

“长五”系列火箭总设计师李东，是北京航空航天大学航空科学与工程学院1985级本科生。“长五”总指挥王珏，是北航2009届博士毕业生、宇航学院兼 职博导。副总设计师杨虎军，是北航1995届空间飞行器与应用专业毕业生。

▲北航校友李东（左一）和王珏（中）

北航材料学院王华明院士团队的高性能大型关键金属构件增材制造技术成果应用于火箭研制。

航空学院吴大方教授团队为火箭热防护方案进行关键性的地面热环境试验。

宇航学院蔡国飙教授团队开展了长五火箭YF-100液氧煤油发动机和YF-77 氢氧发动机的仿真和多学科优化设计，以及火箭二级底部羽流热效应分析、布局优化等研究……

2）嫦娥五号探测器

彭兢，毕业于北京航空航天大学航空科学与工程学院飞行力学专业，是嫦娥五号探测器系统副总设计师。2005年到中国空间技术研究院空间飞行器总体设计部，主要从事深空探测器设计工作。

航空科学与工程学院赵寿根副教授团队完成了嫦娥五号着陆缓冲装置动摩擦力与时间、缓冲柱运动位移关系的试验测试工作，确保嫦娥五号着陆缓冲装置设计的准确性和实际工作的安全可靠性。

机械工程及自动化学院王春洁教授课题组参与嫦娥五号着陆器着陆缓冲机构展开过程稳定性分析、冲击动力学分析、动力学仿真分析、多探测器系统的力学分析等工作，攻克多项关键技术难题，研制起飞等过程的总体仿真平台软件，为确保嫦娥五号圆满落月返回提供技术支撑……

此外，还有西安电子科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学、西北工业大学、天津大学、东南大学、北京化工大学、中国地质大学（武汉）、香港理工大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等等，在我国嫦娥五号探月工程“绕、落、回”过程中都做出了重大贡献。

三、2020理工学子有限元学习周

飞天是人类的一个千年之梦，也是中国人民的一个千年憧憬与梦想。探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是中国不懈追求的航天梦。今日梦圆，凝聚的是无数追梦人的心血和汗水，彰显的是这一国家工程的神圣和荣光！致敬为中国航天事业默默付出的所有航天人！

不管是嫦娥五号的“科工力量”，还是“嫦五”成功返回，再立新功这些大学。无一不诠释了有限元仿真在航天领域的价值，它与理工科学子有着千丝万缕的联系。让中国高校理工科学子掌握好并运用好力学原理和有限元分析在各行各业行业应用才是当务之急。

自2020年12月22起，仿真秀平台将携手北京大学工学院推出2020理工学子有限元学习周。

以下是具体安排（点击文字即可报名） 

张麟博士：国产暖通CFD软件Clabso软件应用与CFD分析方法 （第一期）

江丙云博士：如何在小众专业中出众，我的Abaqus学习方法（第二期）

曾庆生教授：基于产学研结合的5G天线研发，理工学子准备好吗（第三期）

尚晓江博士：Workbench工程结构有限元分析中的概念问题解析（第四期）

欢迎加入直播交流群和领取资料：

最后，期待中国高校不断为我国航天事业贡献力量，让中国人探索太空的脚步迈得更稳更远，再次祝贺嫦娥五号成功发射！

参考资料

[1]"嫦娥五号"圆满完成我国首次地外天体采样返回任务！

[2]“嫦娥五号”成功奔月背后｜来自国防科大科研力量