新“座駕”返航

3朵紅白相間的“傘花”在酒泉東風(fēng)著陸場(chǎng)上空盛放，隨后6個(gè)氣囊打開(kāi)。

5月8日13時(shí)49分，我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙穩(wěn)穩(wěn)降落在東風(fēng)著陸場(chǎng)預(yù)定區(qū)域，新飛船試驗(yàn)船飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。

在此之前，北京航天飛行控制中心通過(guò)地面測(cè)控站向試驗(yàn)船發(fā)出返回指令，服務(wù)艙與返回艙成功分離。試驗(yàn)船返回艙制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，試驗(yàn)船返回艙安全著陸。搜救分隊(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并到達(dá)著陸現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展處置。

自5月5日18時(shí)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空后，試驗(yàn)船在軌飛行2天19小時(shí)，通過(guò)7次自主軌控將軌道抬升至遠(yuǎn)地點(diǎn)為8000公里左右的大橢圓軌道，制動(dòng)后以超過(guò)9km/s的再入速度返回，為返回艙創(chuàng)造了接近第二宇宙速度返回再入的熱流條件;再入返回階段，試驗(yàn)船通過(guò)新型返回制導(dǎo)策略控制再入飛行過(guò)程，以群傘減速、大型氣囊緩沖著陸，在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功回收。

新飛船試驗(yàn)船的飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了高速再入返回防熱、控制和群傘回收等關(guān)鍵技術(shù)，獲取重要飛行參數(shù)，為科學(xué)研究和技術(shù)改進(jìn)積累飛行數(shù)據(jù)。試驗(yàn)船飛行驗(yàn)證的成功實(shí)施，將為研制我國(guó)新一代載人飛船，實(shí)現(xiàn)我國(guó)載人天地往返運(yùn)輸技術(shù)由跟跑到并跑、領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展，為我國(guó)載人空間站建造運(yùn)營(yíng)和載人深空探測(cè)奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，開(kāi)啟我國(guó)載人航天工程新篇章。

在軌開(kāi)展空間試驗(yàn)

新一代載人飛船試驗(yàn)船在軌飛行期間，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司搭載的兩款科學(xué)載荷成功完成了在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，分別是由五院529廠研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”和502所打造的“時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)星載原型系統(tǒng)”。此外，還有太空試驗(yàn)也在此次飛行中進(jìn)行。

新飛船試驗(yàn)船返回艙搭載的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”，已自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣件打印，驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

這次打印的對(duì)象有兩個(gè)，一個(gè)是蜂窩結(jié)構(gòu)（代表航天器輕量化結(jié)構(gòu)），另外一個(gè)是航天科技集團(tuán)CASC標(biāo)志。

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料。此次實(shí)驗(yàn)是我國(guó)首次“太空3D打印”，也是人類首次“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印”實(shí)驗(yàn)，工作全流程實(shí)現(xiàn)無(wú)人照料、全程監(jiān)控、自主控制。

“時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)星載原型系統(tǒng)”試驗(yàn)任務(wù)，是指科研人員此次在試驗(yàn)船上搭建的一個(gè)高速局域網(wǎng)，將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)通起來(lái)，依靠這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)的航天員將在“太空之家”中享受智能家居一樣的服務(wù)。

新一代載人飛船試驗(yàn)船在軌飛行期間，“時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)”完成了時(shí)鐘同步、多源數(shù)據(jù)采樣、高清圖像傳輸?shù)裙δ茯?yàn)證，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高速傳輸。這是我國(guó)首次開(kāi)展該技術(shù)的空間試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域具有了核心技術(shù)能力。

試驗(yàn)船自主控制完成變軌

在軌飛行階段，試驗(yàn)船返回艙首次采用了國(guó)際上推力最大的單組元無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用的HAN推進(jìn)劑具有無(wú)毒、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)將全面替代現(xiàn)有推進(jìn)劑，進(jìn)一步提高航天員的安全性。

試驗(yàn)船還首次采用了國(guó)內(nèi)目前空間飛行器用的最大容積表面張力貯箱，貯箱壁與一張A4紙的厚度相近。貯箱裝載了10噸左右推進(jìn)劑，讓試驗(yàn)船具備了更大的軌道機(jī)動(dòng)能力，助力試驗(yàn)船進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)為8000公里的大橢圓軌道，為大再入角高速再入返回創(chuàng)造了充分條件。

兩天7次的自主變軌中，與以往由地面人為控制變軌、進(jìn)行天地交互和軌道修正的狀態(tài)不同，此次7次自主變軌完全依靠試驗(yàn)船自身來(lái)完成。綜合電子系統(tǒng)和GNC系統(tǒng)就像飛船的“大腦”一樣，綜合分析并處理試驗(yàn)船飛行狀態(tài)。綜合電子系統(tǒng)自主生成軌控期間飛行程序，GNC系統(tǒng)自主確定行駛路線并進(jìn)行導(dǎo)航，還能實(shí)時(shí)掌握飛船當(dāng)前的位置和速度，并自主控制軌控發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)，最終到達(dá)目標(biāo)大橢圓軌道。

試驗(yàn)船底部安裝了6個(gè)大型緩沖氣囊。圖片| 中國(guó)航天科技集團(tuán)五院

群傘減速模擬圖。圖片|中國(guó)航天科技集團(tuán)五院

全新鎧甲確保氣動(dòng)防熱

“如果有機(jī)會(huì)從太空觀察試驗(yàn)船返回艙再入返回過(guò)程，會(huì)發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)一邊燃燒、一邊以10倍于殲-20飛機(jī)的速度突飛猛進(jìn)的‘火球，迫不及待地投向地球的懷抱?！蔽逶杭夹g(shù)人員這樣形容。

要知道，試驗(yàn)船返回艙需要以接近第二宇宙速度再入大氣，氣動(dòng)力最高值超過(guò)70萬(wàn)牛頓。再入過(guò)程中，試驗(yàn)船與空氣發(fā)生劇烈撞擊和摩擦，由此產(chǎn)生極為劇烈的氣動(dòng)加熱效應(yīng)，產(chǎn)生的溫度高達(dá)上千攝氏度。

對(duì)此，五院總體部為其設(shè)計(jì)了可拆卸式防熱與承載一體化結(jié)構(gòu)。這一副防熱鎧甲，作用至關(guān)重要。

據(jù)了解，這一新型防熱材料由五院529廠研制，整個(gè)防熱結(jié)構(gòu)在重量同比降低超過(guò)30%的基礎(chǔ)上，防熱效率比神舟飛船還要高，不僅承受住了再入返回過(guò)程中最高2000多攝氏度的高溫?zé)g，守護(hù)了返回艙的安全，而且首次采用可拆卸設(shè)計(jì)。返回后將燒蝕過(guò)的防熱結(jié)構(gòu)拆卸，更換一套新的防熱結(jié)構(gòu)，并對(duì)返回艙進(jìn)行一次“體檢”，返回艙就能投入下一次任務(wù)。

這種同時(shí)具備輕量化、高強(qiáng)度、抗燒蝕等性能的防熱材料，突破了國(guó)內(nèi)三維纖維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)抗燒蝕納米材料體系研發(fā)技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了大型防熱結(jié)構(gòu)一體化制備技術(shù)的應(yīng)用先河，未來(lái)將有力支撐我國(guó)多個(gè)型號(hào)發(fā)展。

GNC、群傘與氣囊護(hù)送返航

試驗(yàn)船返回艙的再入過(guò)程，就像讓一個(gè)已經(jīng)高速到達(dá)山頂?shù)幕┻\(yùn)動(dòng)員，沿著陡峭的山坡疾速俯沖，最后以合理的速度準(zhǔn)確到達(dá)山腳下的終點(diǎn)。

此次滑行可謂危機(jī)重重，稍有不慎，要么會(huì)偏離指定賽道，要么會(huì)偏離終點(diǎn)。這就要求運(yùn)動(dòng)員必須準(zhǔn)確判斷自己的滑行狀態(tài)，推算出后續(xù)路線，同時(shí)能夠精準(zhǔn)控制下滑軌跡。

在試驗(yàn)船再入過(guò)程中擔(dān)此重任的，是制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GNC）系統(tǒng)。

五院502所GNC系統(tǒng)工程師們?yōu)樵囼?yàn)船設(shè)計(jì)了新型預(yù)測(cè)——校正軌跡控制策略，能夠根據(jù)當(dāng)前飛行狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷與目的地的偏差，以及任務(wù)的特殊要求，根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整升力方向并決定后續(xù)飛行軌跡，進(jìn)而精準(zhǔn)地控制試驗(yàn)船完成再入飛行。

如果研究試驗(yàn)船的軌跡，會(huì)發(fā)現(xiàn)是一條彎彎曲曲的“蛇形”，這就是GNC系統(tǒng)指引它走出的平安回家之路。

據(jù)了解，新飛船試驗(yàn)船返回艙比神舟飛船重一倍多，所需傘面面積更大。重新進(jìn)入大氣層后，需要更為強(qiáng)勁的減速動(dòng)力和平緩的載荷控制。但如果是單具傘，面積就要將近2000平方米，但是如此大面積對(duì)加工、折疊包裝帶來(lái)困難，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都不是最合適的選擇，綜合考慮下，設(shè)計(jì)人員選擇了群傘的方案。

新一代載人飛船試驗(yàn)船。圖片|中國(guó)航天科技集團(tuán)五院

為此五院508所科技團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了3具與神舟飛船降落傘面積相當(dāng)?shù)慕德鋫?，組成群傘系統(tǒng)完成空中減速。這3具降落傘不是簡(jiǎn)單的組合，它們既能齊心協(xié)力、相互扶持，又能和睦相處、互不干擾。

借助群傘系統(tǒng)，不僅可以使超高速飛行的返回艙在極短時(shí)間里減到市區(qū)里汽車的行駛速度，還能確保將來(lái)航天員乘坐飛船返回時(shí)，過(guò)載和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)感受良好。

借助群傘系統(tǒng)，不僅可以使超高速飛行的返回艙在極短時(shí)間里減到市區(qū)里汽車的行駛速度，還能確保將來(lái)航天員乘坐飛船返回時(shí)，過(guò)載和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)感受良好。

返回艙落地時(shí)，當(dāng)然不能硬邦邦地砸下來(lái)。試驗(yàn)船底部安裝了6個(gè)氣囊，落地之前，6個(gè)氣囊順利充氣打開(kāi)，首次新型減速緩沖方案幫助艙體平穩(wěn)“軟著陸”，最大程度保證了返回艙的安全、完整回收。

為了適應(yīng)試驗(yàn)船的大重量，五院508所設(shè)計(jì)了大型緩沖氣囊，每個(gè)氣囊充滿氣后相當(dāng)于卡車輪胎大小，針對(duì)不同著陸情況，這6個(gè)“輪胎”會(huì)先后排氣，確保返回艙平穩(wěn)落地。

為了保證氣囊在發(fā)射時(shí)處于穩(wěn)定牢靠的折疊包裝狀態(tài)，在需要充氣展開(kāi)工作時(shí)又能夠迅速順暢打開(kāi)，設(shè)計(jì)師研究出一種鏈?zhǔn)椒獍墓潭ê徒獬夹g(shù)，并開(kāi)展大量地面充氣展開(kāi)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)、真空環(huán)境試驗(yàn)，成功解決了難題。

雙重保障確保快速搜救

返回艙回到地面后，能否快速找到它，直接決定著整個(gè)任務(wù)的成敗。試驗(yàn)船采用了兩項(xiàng)黑科技，能確保返回艙準(zhǔn)確定位。

五院西安分院研制的GNSS天線網(wǎng)絡(luò)，是幫助返回艙與地面取得聯(lián)系的關(guān)鍵設(shè)備。返回艙的降落地點(diǎn)、搜救信號(hào)等都要通過(guò)該天線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，可以說(shuō)，它是返回艙隨身攜帶的“救生電話”。

由于返回艙在重返地球的過(guò)程中，經(jīng)歷的環(huán)境極其惡劣和復(fù)雜，實(shí)際落地位置可能超出預(yù)定搜索范圍，甚至落在海上。如果出現(xiàn)這種情況，五院510所研制的國(guó)際救援示位標(biāo)將發(fā)揮作用。該設(shè)備發(fā)射的無(wú)線電信標(biāo)信號(hào)，能夠被全球海事衛(wèi)星搜救系統(tǒng)識(shí)別，從而讓搜救人員快速找到返回艙。

此次飛行另一主要任務(wù)是獲取在軌數(shù)據(jù)，為未來(lái)研制提供科學(xué)支撐。設(shè)計(jì)人員為試驗(yàn)船量身定制在軌數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量返回艙大底和側(cè)壁表面特征點(diǎn)的壓力和溫度，獲取了返回艙高速再入過(guò)程的氣動(dòng)力和熱特性參數(shù);通過(guò)多種傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲取了船箭分離沖擊載荷，以及運(yùn)載發(fā)射、在軌飛行和返回著陸過(guò)程的載荷環(huán)境。而這些寶貴數(shù)據(jù)都保存在試驗(yàn)船的“黑匣子”中，為新一代載人飛船的研制優(yōu)化提供重要參考。

◎ 來(lái)源|綜合中國(guó)航天報(bào)、科技日?qǐng)?bào)