地下隧道首次亮相 - 中国探月工程三期中技术难

轨道控制:“控制准”

11月1日凌晨5时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向再入返回飞行试验器注入导航参数;5时53分,飞行试验器服务舱与返回器在距地面高约5000公里处正常分离,宣告整个试验中最关键的“太空打水漂”开始。返回器的速度极快,而且再入大气层时会因为进入黑障区暂时中断通信,无法依靠地面引导,因此整个返回过程只能由返回器自主完成导航和轨道调整。在此过程中,负责返回器轨道控制的“制导、导航与控制系统(GNC)”技术完全由中国自主开发,它成功经受住实战检验。飞行试验器由中国航天科技集团五院研制,该院GNC分系统主任设计师戴居峰告诉《环球时报》记者,由于受太阳风、温度等因素影响,高空天气条件难以预测,返回器进入大气层时可能遭遇各种情况。他们对此进行了上百万次模拟试验,确保返回器返回时无论遭遇哪种情况,都能找到预定方案进行轨道和姿态调整。

戴居峰介绍说,这次试验给他印象最深的就是控制精度的“准”,这也是最大的难点所在。“在距离38万公里的地月空间里,飞行轨道精度必须控制在厘米级别,不然几小时后积累的误差就足以发散到让任务失败的地步”。他认为,把这次试验对精度的要求形容为“在1000公里外命中一个一分硬币大小的东西”可能还不够准确,因为作为“靶标”的月球在不断运动,科研人员需要提前估算出它的轨迹,这实际是数十万公里外的一次交会。

在北京航天飞行控制中心的精确控制下,飞行试验器成功实施2次轨道修正,10月28日晚,飞行试验器完成月球近旁转向飞行,进入月地转移轨道,30日再次成功实施1次轨道修正后,准确进入“回家的安全通道”——返回走廊的窗口。北京航天飞行控制中心飞控总体主任设计师席露华说,“这次任务首次采用三站联合接力跟踪技术,目的就是为了尽可能提高飞行试验器的测轨精度。”据她介绍,参与联合接力跟踪的三个测站均位于境外,在地理分布上呈三角状,可以确保实现高精度轨道测量。

地面装配:“操作难”

11月1日6时13分,返回器以接近第二宇宙速度进入大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器向上跃起,跳出大气层,到达跳出最高点后开始逐渐下降。之后返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。《环球时报》记者在飞行控制中心注意到,返回器的飞行轨迹与预测的路线几乎完全相同。戴居峰介绍说,返回器能否严格按照预定轨道飞行,除了控制精准外,对地面装配作业也提出了近乎苛刻的要求。

航天科技集团五院飞行试验器总装技术负责人鲍晓萍介绍说,返回器是在神舟飞船返回器的基础上缩小研制的,虽然它的个头很小,只有300多公斤,但极其精密。据介绍,如果装配时返回器的转动惯量、质量等特性发生一丁点变化,系统实际运作时就会出现看似微小的偏差,然而在数十万公里的太空飞行里程中,积累起来就会有很大的偏差。

此外,由于返回器在太空中是失重状态,在地面装配时却不可避免会受到重力影响。因此装配人员必须估算出重力对设备产生的变形等细微影响,并进行相应的校准,确保在太空失重环境下设备运行的精度。鲍晓萍说,返回器的个头小,导致很多设备、电路、管路、支架等焊接和检测时只能容纳一个人操作,这种情况下要保证每个螺钉要拧紧、每个支架要安装到位、每个焊点都焊接准确,做到“零缺陷”,难度很高。

因此返回器的地面装配和调试工作可谓是精工细活。据《环球时报》记者了解,涂敷返回器外壳的防火材料时,每次都是以克为单位进行计算,使用了多少克材料,涂在什么地方,都要严格记录。有些设备安装时需要涂胶,然而操作空间有限,而且重量还要严格控制,工作人员只能用针管一点点注射,然后用牙大器晚成医用的镜子进行检查。据介绍,这次试验动用全国的庞大人力和设备,但在发射前准备阶段只有10人有资格对飞行试验器进行组装操作。鲍晓萍说,组装的十人团队号称“七钳三电”:钳工,负责机械部分安装;电装工,负责电子设备安装。

开伞回收:“想不到的困难”

11月1日6时31分,在降至距地面约10公里高度时,返回器抛掉伞舱盖弹出降落伞,随后在预定区域顺利着陆。这也让航天科技集团五院飞行试验器回收系统主任设计师荣伟松了一口气。利用降落伞减速降落是整个试验的最后一步,他承认,尽管此前已经负责多次神舟飞船返回舱的回收任务,但这次他的确感受到特别的压力。

返回器首次再入大气层结束后,飞行速度会下降到第一宇宙速度,因此第二次再入过程就与神舟飞船返回类似。荣伟透露,返回器的体积只有神舟飞船的1/8,但如果只是简单地将神舟飞船的回收系统等比例缩小,根本行不通。荣伟解释说,例如神舟飞船降落伞的伞绳有几十根,如果按比例把返回器伞绳减成几根,降落伞在空中难以成形,无法提供足够的阻力减速。此外伞绳的直径只有几毫米,如按比例缩小,强度难以保证。

按照任务总体要求,返回器的重量和体积都受到严格限制。荣伟说,神舟飞船降落伞的面积达上千平方米,通过新材料很容易把重量减下来。但返回器的降落伞本身面积就不大,用新材料减重的余地有限,只能靠系统设计来减重。而且返回器的质量小,受外界干扰更厉害。科研人员在试验中发现,与神舟飞船沉重的伞舱盖相比,返回器的伞舱盖重量小,更容易受气流扰动,直接影响开伞的可靠性。光为解决这个弹伞舱盖问题,他们就进行了数十次测试。此外返回器在穿越大气层时经受的高温比神舟飞船更高,开伞装置的工作温度高了至少一倍,这也需要新技术来解决。据介绍,这个看似不起眼的开伞动作,其实技术含量很高。为研制不同高速下的开伞技术,美国用了十多年。

复仇者联盟2:奥创纪元 探月工程总指挥许达哲总结说,这次试验任务的成功,大幅提升了中国对高速条件下高空稀薄大气的气动力、气动热、热防护、制导导航与控制等技术机理的认识水平,提高了高速再入、稀薄大气条件下的数学模型、物理模型精度,积累了高速近外层大气飞行工程经验,带动了新材料的研制和航天装备设计方法的创新。据介绍,科研人员将对回收后的返回器及此次再入返回飞行试验获得的数据进行深入研究,为优化完善嫦娥五号任务设计提供技术支撑。试验器的服务舱将继续在太空飞行,并开展一系列拓展试验。

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