“嫦娥五号”回来了！
12月17日凌晨，它带着中国科学家梦寐以求的月球样本，稳稳地降落在内蒙古四子王旗，宣告了中国首次自动月球采样返回任务圆满成功。
12月17日，工作人员在北京航天控制中心嫦娥五号飞行控制站目睹返回者携带月球样品安全着陆。新华社记者岳照片
然而，通往荣耀的道路并不平坦。你知道嫦娥五号跑了多少栏回家吗？
其“娘家”——中国航天科技集团第五研究院向科技日报记者介绍。
怎样在大气层表面“打水漂”
与几个“姐妹”相比，嫦娥五号获得了一张往返于地球和月球之间的“往返票”。
这张票很珍贵。此前，只有美国和苏联的航天器以及中国的嫦娥五号再入飞行试验器实现了绕月再入和返回。
数据显示，国外再入航天器有三种类型：弹道式再入航天器、弹道-升力式再入航天器和升力式再入航天器。
中国探月工程采用了全新的再入方式，——半弹道跳跃再入返回。
重返大气层时，近地轨道航天器的速度通常是每秒7.9公里左右的第一宇宙速度。嫦娥五号以接近每秒11.2公里的第二宇宙速度从月球飞向地球。
每秒3公里以上的速度差带来的力量不同。如果嫦娥五号太过激进，撞向地球，整个任务就白费了。
要避免这种风险，首先要解决速度问题。
这是世界级的问题。研究者在反复研究和学习美苏经验的基础上，结合我国航天器的实际情况，决定利用地球大气层作为航天器再入返回的天然屏障。
他们提出了一个大胆的——半弹道跳跃再入返回计划。
“就像在太空中漂浮一样，返回者首先以高速进入大气层，然后借助大气层提供的升力跳出大气层，然后以第一宇宙速度进入大气层，返回地面。整个过程环环相扣。”五院嫦娥五号探测器总设计师孟说。
2014年，我国发射了探月三期再入飞行试验器，模拟了嫦娥五号的飞行、入轨和返回月球的全过程，成功验证了跳跃式再入和返回技术，使我国成为继美苏之后第三个成功实现航天器从月球轨道返回地面的国家。
返回气动设计比神舟飞船更复杂
嫦娥五号能否成功打造美丽的“水漂”，取决于气动技术研究的全面性和正确性。
第五研究院综合部设计师里奇表示，相比近地轨道航天器的返回，嫦娥五号面临的气动问题更加复杂，再入热环境条件更加严峻，气动数据的精度要求更高。
首先，高速再入导致复杂流动效应的增加，各种复杂流动效应会对返回装置的气动和热特性产生很大影响。
其次，由于跳跃再入、烧蚀、油耗等各种因素。第二次重返地球大气层的形状适应不确定性增加。
第三，由于要求重量轻、体积小，嫦娥五号返回器的体积比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小得多。尺寸和质量的减小可能导致返回舱飞行稳定性的下降，这就对气动特性的预测精度提出了更高的要求。
此外，与返回式卫星和神舟飞船舱相比，这次任务中返回者的热环境要差得多。由于高温效应，需要考虑高温辐射加热的影响，这在分析近地轨道航天器再入热环境时是不应该考虑的。
面对诸多挑战，第五科学院综合部空气动力组开展了关键技术研究，借鉴国内外同类返回舱的空气动力研究成果，形成了一套完整的系统
为了突破半弹道跳跃高速再入返回技术，气动设计、分析和验证必须满足外形、质心和数据三方面的要求。气动团队与国内多家专业气动单位合作开展了30余项研究工作，有2万多种计算/试验状态，逐步确定了返程器的气动外形、配平质心箱、气动标称数据库及其偏差范围，为相关子系统的设计、仿真和试验提供了可靠的数据输入。
最后，他们完成了相关研究，提出了适用于轻小跳高速再入返回器的气动外形设计方法、基于时变估计偏差的平衡质心箱设计方法、适用于高速再入返回器的气动偏差计算方法，完成了适用于第二宇宙速度再入的高空跨流域气动特性计算方法。同时突破了多项关键技术，填补了国内多项空白，并在探月三期再入返回飞行试验器任务中得到有效验证，为嫦娥五号任务的圆满完成做出了巨大贡献。
又要隔热又要散热，怎么解？
高温是回嫦娥五号途中的又一个难点。
如果你看过神舟飞船的返回舱，你会对它的黑色外观印象深刻，它是由大气中的严重摩擦引起的高温燃烧而成的。
嫦娥五号遇到的温度会更高。第五研究院嫦娥五号探测器结构子系统总设计师董表示，如果返回者再入速度翻倍，再入热将增加8-9倍。
一旦这么高的温度进入返回舱内部，后果不堪设想。防热已经成为一个必须克服的难题。
由于需要保证运载能力，嫦娥五号返回舱的质量受到严格限制。不仅要求采用回热器结构本身的轻量化设计，还要求采用新的低密度隔热材料。
因此，五院综合部热结构设计组根据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性和隔热性的具体要求和指标，从33种新研究材料中筛选出7种热材料，完成了热材料布局和局部热结构设计，实现了我国国防热结构设计从低地球轨道再入到深空轨道再入的飞跃。
同时，他们提出了三维传热烧蚀分析方法，采用整体变厚度、变密度、分区和离轴设计方案，突破轻量化设计的关键技术，采用一维烧蚀分析与三维温度场分析相结合的数值分析方法，实现了局部烧蚀试验代替整体烧蚀试验，为任务的成功奠定了基础。
从防热结构设计、防热材料成型工艺研究、焊接工艺研究，到工程样机、结构装置、热控器、专用测试验证机……设计团队精心“缝制”了一件“贴心防热服”送给嫦娥五号，成为其安全顺利回国的生命保障。
嫦娥五号在返回大气层抵御烧蚀环境之前，在飞行过程中仍然需要很大的散热。隔热和散热听起来几乎是不可调和的矛盾。
但五院综合部热控设计人员克服了异质回路热管的热控技术，相当于在返回器上增加了一个导热系数可调的“热开关”，有效解决了再入前散热、导热系数调节、再入时热阻塞等问题。
在太空飞行中，嫦娥五号还面临着高达几百度的宇宙环境温差。第五研究院嫦娥五号探测器热控子系统总设计师宁贤文介绍，为了让嫦娥五号飞行舒适，热控人员根据加热要求设计了不同厚度的“金衣银饰”，通过寻找最冷和最热的点来优化热控策略，保证温度稳定、平均
