“天鷹”系列運(yùn)載器助力火星探測降落傘高空開傘技術(shù)驗(yàn)證

陳華兵，楊 軍，尹力恒

(中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所 燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

火星探測器在實(shí)施火星著陸過程中有一段傘系減速段(見圖1)，需要在火星稀薄大氣的條件下采用降落傘進(jìn)行減速，在距火星表面約11 km的高度打開降落傘，將探測器速度由460 m/s減速到95 m/s左右[1]。這個(gè)過程中，能否成功實(shí)現(xiàn)高空開傘是關(guān)鍵一步。

圖1 火星探測器著陸過程示意圖

由于在火星大氣層開傘具有超音速、低動壓、低密度的顯著特點(diǎn)，要充分驗(yàn)證火星降落傘的開傘性能，就必須模擬探測器再入火星大氣時(shí)的開傘彈道條件和探測器姿態(tài)控制條件來進(jìn)行開傘試驗(yàn)[1]。為此，傘系減速系統(tǒng)負(fù)責(zé)單位中國航天科技集團(tuán)有限公司五院508所提出了采用火箭作為載體的試驗(yàn)方案，并聯(lián)合中國航天科技集團(tuán)有限公司四院開展了“火星探測降落傘火箭高空開傘試驗(yàn)”方案論證與實(shí)施。該方案采用四院“天鷹”系列亞軌道運(yùn)載器作為載體，將火星探測降落傘投送到幾十公里的高空，并對開傘姿態(tài)進(jìn)行精確控制，模擬火星開傘條件進(jìn)行高空開傘試驗(yàn)[2]，圖2給出了火箭高空開傘驗(yàn)證試驗(yàn)的飛行示意圖。

圖2 高空開傘飛行試驗(yàn)示意圖

高空開傘試驗(yàn)分縮比降落傘和全尺寸降落傘兩階段實(shí)施，試驗(yàn)運(yùn)載器繼承“天鷹”系列運(yùn)載器模塊化、通用化成熟技術(shù)，具有低成本、周期短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。第一階段開展縮比降落傘高空開傘試驗(yàn)，選用四院XX-2型試驗(yàn)運(yùn)載器(見圖3)，載荷艙直徑φ398 mm，總長約6 m，起飛重量約1.1 t，采用固體姿控直接力與氣動舵組合控制方式，實(shí)施彈道控制和高空姿態(tài)控制。運(yùn)載器配備拉力、過載、溫度等傳感器和高清攝像頭，通過記錄儀和遙測裝置實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲以及實(shí)時(shí)下傳[3]。

圖3 XX-2運(yùn)載器

第二階段為全尺寸降落傘開傘試驗(yàn)。由于降落傘尺寸、重量均超出了現(xiàn)有“天鷹”系列運(yùn)載器的載荷量，為此四院新研了一款大型的試驗(yàn)運(yùn)載器XX-6(見圖4)，載荷艙直徑φ750 mm，起飛質(zhì)量約為5 t，箭長約10 m。雖為新研，但其實(shí)仍是“天鷹”系列運(yùn)載器成熟技術(shù)和產(chǎn)品的模塊化組合，運(yùn)載器氣動外形保持不變(等比放大)，控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等方案與XX-2基本一致，產(chǎn)品均選用現(xiàn)有模塊化產(chǎn)品；姿控發(fā)動機(jī)選用三通道雙組元液體姿控發(fā)動機(jī)，用于運(yùn)載器發(fā)射段和高空低動壓段控制[4]。

圖4 XX-6運(yùn)載器

1 試驗(yàn)運(yùn)載器關(guān)鍵技術(shù)

火星探測高空開傘試驗(yàn)根據(jù)不同開傘試驗(yàn)條件分為四個(gè)工況，每個(gè)工況條件下對運(yùn)載器的飛行彈道特性及開傘時(shí)運(yùn)載器姿態(tài)均有不同要求，需要以一型運(yùn)載器滿足不同工況下的飛行試驗(yàn)要求；滿足開傘試驗(yàn)條件的飛行窗口具有約束條件多、參數(shù)范圍小、窗口時(shí)間短等特點(diǎn)[5]，需要運(yùn)載器在飛行過程中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判斷滿足全部開傘條件的開傘時(shí)間點(diǎn)，可靠地在開傘窗口內(nèi)發(fā)出開傘指令；開傘過程中的應(yīng)力、過載、溫度等參數(shù)以及整個(gè)開傘過程的狀態(tài)監(jiān)控是判斷開傘試驗(yàn)成功的重要信息，必須進(jìn)行可靠的采集和記錄；運(yùn)載器上的固體姿控發(fā)動機(jī)為四院自研的國內(nèi)首例工程應(yīng)用產(chǎn)品，需要開展充分的單機(jī)試驗(yàn)和系統(tǒng)匹配試驗(yàn)，確保產(chǎn)品可靠性、控制模型準(zhǔn)確性和系統(tǒng)匹配性。

(1)運(yùn)載器總體特性調(diào)節(jié)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)一型運(yùn)載器滿足不同開傘工況條件下飛行要求的目的，將運(yùn)載器標(biāo)稱設(shè)計(jì)狀態(tài)對應(yīng)到開傘工況的中間工況狀態(tài)，在運(yùn)載器不同艙段設(shè)計(jì)有模塊化的配重方案，可調(diào)整運(yùn)載器起飛質(zhì)量，同時(shí)將其他總體參數(shù)變化范圍控制在允許范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，采用配重和發(fā)射傾角組合的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器標(biāo)準(zhǔn)彈道的調(diào)節(jié)，使標(biāo)準(zhǔn)彈道滿足開傘工況的理想狀態(tài)。此外，配重方案可根據(jù)彈道需求在飛行試驗(yàn)前靈活選擇，便于開傘試驗(yàn)的全工況驗(yàn)證。

(2)多約束飛行彈道窗口可靠進(jìn)入技術(shù)

由于滿足開傘試驗(yàn)的飛行彈道窗口約束條件多，為此，將約束條件分為快約束和慢約束兩類進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)?？旒s束如姿態(tài)角、角速度等條件采用精確控制方法在開傘預(yù)判段進(jìn)行持續(xù)控制，直至開傘指令發(fā)出；慢約束如位置、速度等條件采用參數(shù)方程與邏輯判斷組合的方式進(jìn)行在線實(shí)時(shí)判斷，保證在各種偏差條件下以最大概率進(jìn)入開傘彈道窗口[6-7]。

(3)大氣層內(nèi)靜不穩(wěn)定體側(cè)噴流直接力控制技術(shù)

降落傘高空開傘時(shí)安裝于運(yùn)載器箭頭內(nèi)，箭頭模擬開傘時(shí)火星探測器的姿態(tài)。箭頭大氣層內(nèi)姿態(tài)的精確控制具有氣動噴流擾動影響明顯、靜不穩(wěn)定力矩干擾大、箭頭質(zhì)心范圍變化大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)通過對姿控力和力臂的匹配進(jìn)行迭代優(yōu)化，達(dá)到全控制過程中的指標(biāo)最優(yōu)匹配，同時(shí)采用自適應(yīng)前饋補(bǔ)償動態(tài)脈沖調(diào)寬控制算法，削弱靜不穩(wěn)定力矩干擾，提高姿控力利用效率。地面懸吊試驗(yàn)(見圖5)和飛行試驗(yàn)表明，箭頭姿控精度優(yōu)于0.1°。

圖5 直接力控制地面懸吊試驗(yàn)

(4)高動態(tài)參數(shù)測量與實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

火星降落傘開傘動態(tài)時(shí)間短、過載大的特點(diǎn)，對參數(shù)測量和過程錄像提出較高要求。測量系統(tǒng)選用高采樣率拉力、過載、溫度傳感器和高清高幀頻廣角攝像頭，確保開傘過程參數(shù)和圖像可靠采集；通過箭上記錄儀記錄存儲與寬頻遙測實(shí)時(shí)下傳的冗余方式確保數(shù)據(jù)可靠存儲。

(5)新型固體姿控發(fā)動機(jī)技術(shù)

固體姿控發(fā)動機(jī)相比于液體姿控發(fā)動機(jī)具有成本低、安全性好、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。新型固體姿控發(fā)動機(jī)采用旋轉(zhuǎn)閥流量控制方式，通過電機(jī)帶動閥門作動實(shí)現(xiàn)固體燃?xì)庠谙鄬姽荛g的切換，從而產(chǎn)生不同噴管的姿控力，姿控力響應(yīng)時(shí)間可達(dá)10 ms以內(nèi)，達(dá)到國內(nèi)一流水平。

2 試驗(yàn)運(yùn)載器研制情況及應(yīng)用

由于較好地繼承了天鷹系列產(chǎn)品模塊化、通用化的優(yōu)點(diǎn)，XX-2和XX-6型運(yùn)載器均在不到一年時(shí)間內(nèi)就完成了產(chǎn)品研制。

2016年8月29日，XX-2運(yùn)載器縮比降落傘開傘試驗(yàn)成功首飛。圖6為火箭發(fā)射、箭體反推、降落傘開傘的飛行試驗(yàn)圖片。試驗(yàn)過程中，運(yùn)載器先按飛行程序控制飛行彈道，將降落傘系統(tǒng)送至滿足開傘條件的開傘窗口，并將姿態(tài)控制在需求開傘姿態(tài)，然后實(shí)施頭體分離，將箭體用反推發(fā)動機(jī)推離箭頭，為降落傘向箭頭后方彈傘打開通道，隨后降落傘彈出，縮比降落傘開傘飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。隨后，縮比降落傘開傘試驗(yàn)又進(jìn)行了4次飛行試驗(yàn)，均取得圓滿成功。

圖6 縮比降落傘開傘飛行試驗(yàn)

2018年4月9日，XX-6運(yùn)載器全尺寸降落傘開傘試驗(yàn)完成首飛(見圖7)。試驗(yàn)過程中，運(yùn)載器先采用液體姿控與氣動舵對發(fā)射加速段箭體實(shí)施復(fù)合控制，在即將滿足開傘條件時(shí)，運(yùn)載器頭體分離，隨后降落傘彈出。全尺寸降落傘開傘連續(xù)4次飛行試驗(yàn)均圓滿成功，有力促進(jìn)了“天問一號”火星探測著陸減速關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證實(shí)施。

圖7 全尺寸降落傘開傘飛行試驗(yàn)

3 展望

五院508所總工程師、回收著陸領(lǐng)域?qū)＜尹S偉表示，這次“天問一號”成功落火，充分驗(yàn)證了火星降落傘的可靠性，我國未來的深空探測項(xiàng)目，比如火星取樣返回以及未來的行星探測，都將應(yīng)用這次火星降落傘的技術(shù)。圖8為天鷹系列運(yùn)載器型譜。

圖8 天鷹系列運(yùn)載器型譜

目前，四院正在開展后續(xù)其他高空開傘試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)相關(guān)運(yùn)載系統(tǒng)的研制。四院充分依托豐富的固體動力資源和產(chǎn)業(yè)鏈配套能力，以“模塊化、通用化、系列化”為指導(dǎo)原則，在20余年的時(shí)間里逐步形成覆蓋有效載荷1.5～500 kg，直徑φ50～φ750 mm，飛行高度10～500 km的“天鷹”系列亞軌道運(yùn)載產(chǎn)品(見圖8)，可用于氣象探測、科學(xué)探測、空間微重力和空間物理實(shí)驗(yàn)等。目前，該系列運(yùn)載系統(tǒng)已列入中國航天科技集團(tuán)有限公司運(yùn)載火箭系列型譜，并成功飛行70余發(fā)，保障了多項(xiàng)國家空間科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)的順利進(jìn)行，達(dá)到了國內(nèi)國際先進(jìn)水平。