探月工程三期再入返回飞行试验返回器安全“回家”之六大关键技术 ...
<p> 在太空遨游8天后，<strong><strong>探月</strong></strong>工程三期再入返回飞行试验返回器成功返回着陆在内蒙古四子王旗回收区。作为<strong><strong>探月</strong></strong>工程三部曲中“回”的这部重头戏，飞行试验器的使命特殊而艰巨：它是我国首次以接近第二宇宙速度再入返回地球的航天器，首次实施月地返回任务，首次实施半弹道跳跃式高速再入返回，验证返回器气动外形设计，验证返回器防热设计，验证半弹道跳跃式再入制导、导航与控制（gnc）技术以及验证轻小型化回收着陆技术。从这六大创新点可以看出，此次再入返回飞行试验任务技术新、难度大、系统复杂，给中国航天科技集团公司再入返回飞行试验器研制团队带来了巨大考验和诸多难关。</p><p> 航天人一向不缺乏攻坚克难的干劲，在此次任务中，再入返回飞行试验器研制团队突破并掌握了一大批核心和关键技术，取得了一系列骄人的创新成果。 </p><p> <strong>首次从月球“回家”</strong></p><p> 月地转移飞行在我国是首次实施，为保证返回器与服务舱分离后进入预定的再入走廊，为返回器提供良好的再入飞行过程初始条件，“需要针对飞行过程中的不确定因素，制定月地转移中途修正策略，并实施精确的轨道控制。”飞行试验器副总师彭兢介绍说。</p><p> 飞行试验器由服务舱和返回器两部分组成。服务舱gnc副总师王晓磊介绍说，他们要努力把服务舱做得如同豪华超级跑车般，在按照精确轨道飞行后，将返回器这位“大明星”快、准、稳地送到再入返回点，保证其安全返回。</p><p> <strong>精心设计的气动外形</strong></p><p> 返回器高速再入的气动设计需要考虑高速段的化学平衡和非平衡效应、稀薄气体效应和滑移效应等复杂的流动效应，由此来优化气动外形，使得返回器具有良好的配平特性、升阻特性、稳定特性与热流分布特性。 “高难度动作”再入返回</p><p> 同时，还需要精确分析再入过程烧蚀等因素对气动特性数据偏差的影响，提供一套满足工程设计精度要求的气动力、热数据，作为返回器防热结构与再入制导控制的设计依据。</p><p> <strong>“高难度”动作再入返回</strong></p><p> 在飞行试验任务中，飞行试验器从月球返回时，返回器以接近第二宇宙速度的高速再入地球大气，即每秒11.2公里。为满足返回国内着陆区的再入航程需求，同时兼顾返回器气动与防热、结构与构型和载荷等方面的设计，此次返回采用半弹道跳跃式再入方式。这种再入方式对返回器的气动、热防护、制导导航与控制、轻小型化回收着陆等技术提出了更高要求。</p><p> 这是一系列严苛的要求，彭兢说：“不仅需要保证返回器在再入返回过程中受到气动作用后能够保持自身稳定性，还要保证返回过程中表面产生2000度以上的热量不会传递到返回器内，同时gnc控制分系统要设计复杂的控制规律和具备精密的惯性导航测量单元，应对复杂的大气活动，借助控制系统的发动机转换返回器姿态。”</p><p> <strong>一条最佳的回家路</strong></p><p> “纵使大气环境有再多的不确定性，返回器都要‘岿然不动’，从再入返回点找到一条最佳的回家路。”返回器gnc副总师王勇说，由于返回器半弹道跳跃式再入返回过程速度大、航程长、高动态、姿态与弹道耦合强烈、对控制实时性要求高，为此他们采用新的高速再入预测校正制导技术，同时应用高精度联合标定技术，引入轻小型化的高精度导航敏感器，采用高可靠性的再入gnc系统，开展充分的仿真试验，对高空大气模型的不确定性、不同高度、速度和烧蚀条件下返回器气动特性的不确定性和风修正等因素对飞行轨迹的影响进行分析和验证，确保返回器开伞点满足高精度落点的要求。</p><p> <strong>舒服的“卧室”</strong></p><p> 返回器高速再入地球大气的热流密度峰值高、总加热时间长、总加热量大，其中热流密度峰值是神舟飞船的近4倍，总加热时间是神舟飞船的2倍多。为此，需在神舟飞船、返回式卫星和导弹防热结构技术的基础上，解决防热结构耐受高热流密度峰值、高焓、强气流冲刷、长时间及跳跃式再入环境的各项关键技术，同时满足防热结构在飞行过程中的低温适应性和轻量化设计等要求，研制新型防热材料和防热结构。</p><p> 通俗地说，冷了要有暖风，热了要有空调，气动加热导致温度升高时，还要让返回器与热流隔绝。热控分系统主任设计师宁献文介绍说，为此次任务专门研制的异构式环路热管热控技术可以让返回器在历时8天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，这种可调节热导的“热开关”薄厚不一，设计人员一改以往做法，通过寻找最冷最热点，确保器内温度稳定、平均。 </p><p> <strong>再小也要被找到</strong></p><p> 返回器质量、体积和布局等资源十分紧张，与神舟飞船相比，返回器的横截面积仅为飞船的1/2，质量仅为飞船的1/10，因此，飞行试验任务对高可靠的轻小型化回收着陆系统提出了更高要求。据彭兢介绍，返回器的重量只有330kg，为了减轻重量，里面类似飞机“黑匣子”的仪器，要从近6千克的重量降到1千克。</p><p> 经过开展设计、分析和地面试验等，回收着陆系统要保证配合搜索的信标不被破坏，以技术状态正确的关键单机和设计可靠的关键环节，在第一时间发现回到家的再入返回飞行试验器。(李淑姮 庞丹)</p><br />
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