多用途飛船縮比返回艙成功著陸

多用途飛船縮比返回艙成功著陸

2016年6月26日15：41，由長征－7運(yùn)載火箭搭載升空的多用途飛船縮比返回艙（簡稱縮比返回艙）在東風(fēng)著陸場西南戈壁區(qū)安全著陸。該縮比返回艙由中國航天科技集團(tuán)公司所屬中國空間技術(shù)研究院研制。此次縮比返回艙的成功回收，為后續(xù)新型載人飛船的論證設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)奠定了重要基礎(chǔ)，這標(biāo)志著我國載人深空探測技術(shù)邁上了新的臺階，為未來載人深空探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

1 縮比返回艙任務(wù)概述

任務(wù)目標(biāo)

多用途飛船返回艙是我國未來載人深空探測任務(wù)的關(guān)鍵產(chǎn)品，為開展先期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確保載人航天任務(wù)的高可靠性，并節(jié)省科研經(jīng)費(fèi)，中國空間技術(shù)研究院研制并發(fā)射了這一縮比返回艙，它是多用途飛船返回艙正式型的縮小版，高約2.3m，最大外徑2.6m，總質(zhì)量約2600kg。

縮比返回艙用于在軌獲取飛船返回艙自由飛行氣動(dòng)數(shù)據(jù)，探索可重復(fù)使用設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及評估技術(shù)，以及驗(yàn)證新型金屬材料性能及制造技術(shù)等。

返回艙首次以彈道方式返回

在飛船返回階段，縮比返回艙首次以彈道方式返回，即在長征－7上面級和返回艙組合體分離后，指揮控制中心不對返回艙進(jìn)行控制，返回艙依靠分離時(shí)的速度和姿態(tài)返回著陸。

此次任務(wù)采用彈道方式返回，這與此次任務(wù)的試驗(yàn)?zāi)康挠嘘P(guān)。它主要用于驗(yàn)證返回艙的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，獲取返回再入過程中返回艙的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱特性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我國新一代多用途飛船的論證設(shè)計(jì)和后續(xù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供支持。為此，需要設(shè)計(jì)一些不同狀態(tài)，特別是復(fù)雜條件的試驗(yàn)環(huán)境，以獲取更為全面的數(shù)據(jù)。以彈道方式返回就可以獲取返回艙在不受地面指揮控制中心控制的條件下的相關(guān)參數(shù)，對于實(shí)現(xiàn)任務(wù)試驗(yàn)?zāi)康木哂蟹e極作用。

著陸點(diǎn)首次瞄準(zhǔn)在沙漠

這次回收是我國第一次在載人航天工程中啟用東風(fēng)著陸場，此前，它一直作為四子王旗的備用著陸場。其目的同樣是為了獲取縮比返回艙更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

東風(fēng)著陸場地處內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠和戈壁帶，這里地形多樣，有沙漠、戈壁、山地、湖泊等，基本涵蓋了需要進(jìn)行試驗(yàn)的各種著陸地形，實(shí)踐意義非常大。這里地域遼闊，而且人煙稀少，更適合執(zhí)行搜索回收任務(wù)。

從工程建設(shè)和任務(wù)實(shí)施角度看，選擇在沙漠著陸還有諸多優(yōu)勢：沙漠基本為無人區(qū)，回收難度雖然大一些，但安全隱患相對較??；由于沙土較軟，對返回艙損害較?。欢嘁恍┞鋮^(qū)選擇，有利于飛船、衛(wèi)星的應(yīng)急返回。

2 縮比返回艙驗(yàn)證多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

2016年6月26日，經(jīng)過約20h的在軌飛行，縮比返回艙在東風(fēng)著陸場西南戈壁區(qū)安全著陸，外觀良好，狀態(tài)正常，首次在軌驗(yàn)證了飛船返回艙新氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、重復(fù)使用設(shè)計(jì)和新材料等新技術(shù)和新產(chǎn)品。

實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)“倒錐形”新氣動(dòng)外形

不同于此前“神舟”系列飛船的“鐘罩式”外形，縮比返回艙采用“倒錐形”設(shè)計(jì)。如同汽車的流線型外形能幫助它省油、提速一般，航天器的外形對提升其性能有著重要影響，特別是在高速飛行狀態(tài)下，微小的外形差別將對航天器產(chǎn)生很大的影響。在此次任務(wù)中，縮比返回艙通過配置氣動(dòng)測量傳感器，能夠測量返回艙再入大氣層過程中的返回艙表面壓力、溫度和熱流等數(shù)據(jù)，獲取返回艙氣動(dòng)特性參數(shù)。

以往我國開展此類設(shè)計(jì)、測試主要依靠仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，而此次通過實(shí)飛檢驗(yàn)氣動(dòng)外形還屬首次，獲得的數(shù)據(jù)也彌足珍貴。它突破并驗(yàn)證了我國未來載人飛船返回艙的新氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)。這些數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用將對我國宇航、新材料等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮重要作用。

驗(yàn)證返回艙重復(fù)使用技術(shù)，首次采用新型合金材料

為了實(shí)現(xiàn)降本增效，縮比返回艙在可重復(fù)使用技術(shù)上進(jìn)行了探索。該返回艙采用了“金屬結(jié)構(gòu)+防熱結(jié)構(gòu)”的雙層熱防護(hù)設(shè)計(jì)方案，其中的防熱結(jié)構(gòu)是可以拆卸的，再入返回過程中被灼蝕的防熱結(jié)構(gòu)在返回地面后可拆卸、更換。此項(xiàng)技術(shù)不僅將節(jié)省大量的運(yùn)營成本，還將縮短研制周期，大大加快我國探索神秘宇宙、和平開發(fā)太空資源的步伐。

值得一提的是，縮比返回艙主結(jié)構(gòu)采用了一種新型合金材料，它和當(dāng)前主流的航天器鋁鎂合金相比，強(qiáng)度更強(qiáng)、韌性更足，抗壓能力更是提高了近八成，將極大地提升航天器的性能、延長航天器的壽命。這一材料雖然在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、火箭的推進(jìn)劑貯箱上廣泛使用，但在我國航天器的主結(jié)構(gòu)上還是首次使用。

配備我國返回式航天器首頂超音速穩(wěn)定傘

安全返回是縮比返回艙任務(wù)最后一根“接力棒”，為了走穩(wěn)這回家路途上的最后一步，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)不僅為縮比返回艙研制了主降落傘系統(tǒng)，還配備了首頂超音速穩(wěn)定傘。它可以矯正多用途飛船縮比返回艙的飛行姿態(tài)，是安全返航路上的重要一環(huán)。

研制人員與縮比返回艙合影（陳蒙/攝）

返回艙在再入飛行過程中將采取大底朝前、小頭朝后的“仰臥”姿態(tài)，安裝在頭頂?shù)闹鹘德鋫阆到y(tǒng)會(huì)順勢迎風(fēng)開傘。但此次縮比返回艙的氣動(dòng)外形是未經(jīng)在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的全新設(shè)計(jì)，返回艙在再入飛行中有可能會(huì)出現(xiàn)小頭朝前、大頭朝后的俯沖姿態(tài)，從而導(dǎo)致主降落傘系統(tǒng)無法順利工作。為此，研制人員在主傘艙旁邊安裝了一頂超音速穩(wěn)定傘，一旦出現(xiàn)“掉頭”現(xiàn)象，超音速穩(wěn)定傘可憑借風(fēng)力矯正返回艙的飛行姿態(tài)，從而保障主降落傘正常工作。

不同于“神舟”飛船返回艙主傘慣用的紅白相間圖案，超音速穩(wěn)定傘是通體的黃色，看起來像一頂“小黃帽”，充氣張開的超音速穩(wěn)定傘，其半球形的“頭頂”和長達(dá)20m的細(xì)長連接帶拖曳著縮比返回艙。

返回式衛(wèi)星、“神舟”飛船和嫦娥－5試驗(yàn)飛行器使用的返回式航天器降落傘，一般都是在亞音速條件下打開。從大氣層外返回地球，并在超音速的條件下開傘飛行，使用超音速穩(wěn)定傘是首次。因此，它需要應(yīng)對更加惡劣的環(huán)境，例如劇烈顫震、反復(fù)充氣，以及空氣摩擦產(chǎn)生的高溫。為了幫超音速穩(wěn)定傘應(yīng)對重重考驗(yàn)，北京空間機(jī)電研究所在傘形選擇優(yōu)化、材料特性研究、主要承力件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展了大量的仿真計(jì)算，并經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)、高塔投放試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了該傘的技術(shù)狀態(tài)。

超音速穩(wěn)定傘

3 滿足未來載人深空探測任務(wù)

此次縮比返回艙飛行任務(wù)是對未來載人飛船關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證的一次飛行試驗(yàn)，是未來我國新一代載人飛船飛行試驗(yàn)規(guī)劃的第一步，將開啟我國新一代載人飛船研制工程的序幕。

隨著縮比返回艙成功回收，相關(guān)新技術(shù)和新產(chǎn)品驗(yàn)證成功，我國新一代多用途飛船整體性能將實(shí)現(xiàn)躍升，未來可搭乘更多的航天員，還能到達(dá)更遠(yuǎn)的深空，滿足未來載人深空探測任務(wù)。

齊真/文

Scaled-down Crew Capsule Returned Successfully