起飞 一文解读嫦娥五号月面起飞( 二 )
3000牛发动机虽然首次应用在天问一号火星探测器上，但它最初是为嫦娥五号攻关研制的。发动机深嵌在探测器内部，工作时不断向四周辐射高温热浪。如何避免器上设备受到影响？研制人员采取了增加隔热屏的热防护方案，确保周围的产品不被烤坏，进而保证顺利完成任务。
发动机喷出的气流是另外一大隐患。通常，火箭在大气层内喷出的气流称为尾焰，在大气层外喷出的气流称为羽流。
火箭在地面起飞时，发射台下都有一个特别大的导流槽，发动机尾部喷出的极高温火焰通过开敞的空间排走，不会“拥堵”在发动机出口从而影响发动机功能。但是，上升器从月面起飞，作为起飞平台的着陆器不可能像地球发射塔架那样配置导流槽。
嫦娥五号上升器推进子系统主任设计师赵京介绍，3000牛发动机安装在上升器的底部中心位置，喷管离着陆器顶板仅20厘米。为了在这20厘米的空间内将羽流排导出去，科研人员巧妙地设计了一个小型导流锥。
为了解决这个核心难题，科研人员开展了嫦娥五号全尺寸羽流导流综合验证试验。该试验被列为探月三期的重大专项试验之一，主要验证典型工况条件下上升器发动机月面点火起飞时，火焰羽流产生的综合力、热效应及发动机与羽流导流装置的相容性，试验系统复杂、技术难度大、安全风险高。
2015年6月~7月，综合验证试验在位于北京的航天科技集团六院 101所轨姿空发动机试验区分三个阶段进行。试验在低温、真空环境下进行，参试产品与飞行产品尺寸一致，是我国首次进行 1：1 比例的航天飞行器全尺寸羽流试验，使用了一系列新设备和新技术。
“最终，三个阶段综合验证试验取得圆满成功，证明发动机能够适应尾部比较局促的排气环境，为嫦娥五号上升器月面点火起飞提供了安全保障。”嫦娥五号探测器系统副总设计师洪鑫说。
38万公里外，“最强大脑”完美智控
800公斤重的上升器离开了着陆器表面。整个月面上升段用时 6 分钟左右，上升器经过垂直上升、姿态调整、轨道入射，进入近月点约 15公里、远月点约180公里的交会对接初始轨道。
【 起飞|一文解读嫦娥五号月面起飞】在3000牛发动机点火的第二秒，GNC系统开始对上升器进行控制，考虑到38万公里的地月距离带来的信号时延，控制指令早已写好，并注入程序。因此，发动机一旦启动，探测器需要自主完成整个上升过程。这个时候，GNC系统将发挥核心作用。
月面上升时，重力场，发动机的推力、指向，敏感器的测量等都会存在一定误差，这就需要 GNC系统设计出冗余。杨巍介绍，在起飞过程中，GNC系统就像上升器的“最强大脑”，通过采用类似人工智能的技术，提升自主性，助力其平稳度过上升起飞期。在GNC系统的调控下，各种型号的发动机和星敏感器、陀螺仪等互相配合。发动机为上升器提供动力，并帮助其调整姿态；星敏感器用来测姿态；陀螺仪用来测速度。就像开汽车一样，司机始终要知道自己的位置、速度和目标，不断地优化调整，最终到达目的地。
除了正常的飞行程序，GNC系统的另一个重要作用是备好故障预案。月面起飞条件苛刻，必须依靠自主定位定姿方法确定起飞的状态。如果在起飞过程中出现故障，也要迅速拿出解决方案。比如，在起飞过程中，万一3000牛发动机出现故障，GNC系统将迅速启动其他发动机继续工作，保障上升器顺利进入月球轨道。“上升过程不可逆，出现任何异常地面都无法补救。因此，除了加强探测器的可靠性设计外，我们还开展了大量的地面试验。”舒燕研制上升器十年，12月3日，看着这个小家伙从月面“翩翩起飞”，如同在欣赏一幅绝美画面。
上世纪，美国和苏联已经掌握了月面起飞技术，这成为他们得以采回月球样本的关键所在。这是人类进入更远深空探索地外天体的必备能力 。
如今，中国人掌握了这种能力——来自中国的嫦娥五号上升器带着月壤，成功突破月球第一宇宙速度（约1.68公里/秒），离开月面，进入环月轨道。
中国人第一次完成了地外天体的完美起飞。
（原题为《深度丨一文解读嫦娥五号月面起飞》作者 赵聪）
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