隔熱涂層精確到克 軌道設(shè)定不差毫厘

　　航天專家講述“小嫦娥成長(zhǎng)記”

　　中國(guó)探月工程三期中技術(shù)難度最高的“再入返回飛行試驗(yàn)”11月1日以一次接近完美的著陸宣告成功，標(biāo)志著我國(guó)已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。多名參與研制的中國(guó)航天專家向《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者揭示了這個(gè)為嫦娥五號(hào)重返地球探路的“小嫦娥”是“如何煉成的”。

　　軌道控制：“控制準(zhǔn)”

　　11月1日凌晨5時(shí)許，北京航天飛行控制中心通過(guò)地面測(cè)控站向再入返回飛行試驗(yàn)器注入導(dǎo)航參數(shù)；5時(shí)53分，飛行試驗(yàn)器服務(wù)艙與返回器在距地面高約5000公里處正常分離，宣告整個(gè)試驗(yàn)中最關(guān)鍵的“太空打水漂”開(kāi)始。返回器的速度極快，而且再入大氣層時(shí)會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入黑障區(qū)暫時(shí)中斷通信，無(wú)法依靠地面引導(dǎo)，因此整個(gè)返回過(guò)程只能由返回器自主完成導(dǎo)航和軌道調(diào)整。在此過(guò)程中，負(fù)責(zé)返回器軌道控制的“制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(GNC)”技術(shù)完全由中國(guó)自主開(kāi)發(fā)，它成功經(jīng)受住實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。飛行試驗(yàn)器由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制，該院GNC分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師戴居峰告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，由于受太陽(yáng)風(fēng)、溫度等因素影響，高空天氣條件難以預(yù)測(cè)，返回器進(jìn)入大氣層時(shí)可能遭遇各種情況。他們對(duì)此進(jìn)行了上百萬(wàn)次模擬試驗(yàn)，確保返回器返回時(shí)無(wú)論遭遇哪種情況，都能找到預(yù)定方案進(jìn)行軌道和姿態(tài)調(diào)整。

　　戴居峰介紹說(shuō)，這次試驗(yàn)給他印象最深的就是控制精度的“準(zhǔn)”，這也是最大的難點(diǎn)所在�！霸诰嚯x38萬(wàn)公里的地月空間里，飛行軌道精度必須控制在厘米級(jí)別，不然幾小時(shí)后積累的誤差就足以發(fā)散到讓任務(wù)失敗的地步”。他認(rèn)為，把這次試驗(yàn)對(duì)精度的要求形容為“在1000公里外命中一個(gè)一分硬幣大小的東西”可能還不夠準(zhǔn)確，因?yàn)樽鳛椤鞍袠?biāo)”的月球在不斷運(yùn)動(dòng)，科研人員需要提前估算出它的軌跡，這實(shí)際是數(shù)十萬(wàn)公里外的一次交會(huì)。

　　在北京航天飛行控制中心的精確控制下，飛行試驗(yàn)器成功實(shí)施2次軌道修正，10月28日晚，飛行試驗(yàn)器完成月球近旁轉(zhuǎn)向飛行，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，30日再次成功實(shí)施1次軌道修正后，準(zhǔn)確進(jìn)入“回家的安全通道”——返回走廊的窗口。北京航天飛行控制中心飛控總體主任設(shè)計(jì)師席露華說(shuō)，“這次任務(wù)首次采用三站聯(lián)合接力跟蹤技術(shù)，目的就是為了盡可能提高飛行試驗(yàn)器的測(cè)軌精度。”據(jù)她介紹，參與聯(lián)合接力跟蹤的三個(gè)測(cè)站均位于境外，在地理分布上呈三角狀，可以確保實(shí)現(xiàn)高精度軌道測(cè)量。

　　地面裝配：“操作難”

　　11月1日6時(shí)13分，返回器以接近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。下降至預(yù)定高度后，返回器向上躍起，跳出大氣層，到達(dá)跳出最高點(diǎn)后開(kāi)始逐漸下降。之后返回器再次進(jìn)入大氣層，實(shí)施二次氣動(dòng)減速�！董h(huán)球時(shí)報(bào)》記者在飛行控制中心注意到，返回器的飛行軌跡與預(yù)測(cè)的路線幾乎完全相同。戴居峰介紹說(shuō)，返回器能否嚴(yán)格按照預(yù)定軌道飛行，除了控制精準(zhǔn)外，對(duì)地面裝配作業(yè)也提出了近乎苛刻的要求。

　　航天科技集團(tuán)五院飛行試驗(yàn)器總裝技術(shù)負(fù)責(zé)人鮑曉萍介紹說(shuō)，返回器是在神舟飛船返回器的基礎(chǔ)上縮小研制的，雖然它的個(gè)頭很小，只有300多公斤，但極其精密。據(jù)介紹，如果裝配時(shí)返回器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量等特性發(fā)生一丁點(diǎn)變化，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作時(shí)就會(huì)出現(xiàn)看似微小的偏差，然而在數(shù)十萬(wàn)公里的太空飛行里程中，積累起來(lái)就會(huì)有很大的偏差。

　　此外，由于返回器在太空中是失重狀態(tài)，在地面裝配時(shí)卻不可避免會(huì)受到重力影響。因此裝配人員必須估算出重力對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的變形等細(xì)微影響，并進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)，確保在太空失重環(huán)境下設(shè)備運(yùn)行的精度。鮑曉萍說(shuō)，返回器的個(gè)頭小，導(dǎo)致很多設(shè)備、電路、管路、支架等焊接和檢測(cè)時(shí)只能容納一個(gè)人操作，這種情況下要保證每個(gè)螺釘要擰緊、每個(gè)支架要安裝到位、每個(gè)焊點(diǎn)都焊接準(zhǔn)確，做到“零缺陷”，難度很高。

　　因此返回器的地面裝配和調(diào)試工作可謂是精工細(xì)活。據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者了解，涂敷返回器外殼的防火材料時(shí)，每次都是以克為單位進(jìn)行計(jì)算，使用了多少克材料，涂在什么地方，都要嚴(yán)格記錄。有些設(shè)備安裝時(shí)需要涂膠，然而操作空間有限，而且重量還要嚴(yán)格控制，工作人員只能用針管一點(diǎn)點(diǎn)注射，然后用牙醫(yī)用的鏡子進(jìn)行檢查。據(jù)介紹，這次試驗(yàn)動(dòng)用全國(guó)的龐大人力和設(shè)備，但在發(fā)射前準(zhǔn)備階段只有10人有資格對(duì)飛行試驗(yàn)器進(jìn)行組裝操作。鮑曉萍說(shuō)，組裝的十人團(tuán)隊(duì)號(hào)稱“七鉗三電”：鉗工，負(fù)責(zé)機(jī)械部分安裝；電裝工，負(fù)責(zé)電子設(shè)備安裝。

　　開(kāi)傘回收：“想不到的困難”

　　11月1日6時(shí)31分，在降至距地面約10公里高度時(shí)，返回器拋掉傘艙蓋彈出降落傘，隨后在預(yù)定區(qū)域順利著陸。這也讓航天科技集團(tuán)五院飛行試驗(yàn)器回收系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師榮偉松了一口氣。利用降落傘減速降落是整個(gè)試驗(yàn)的最后一步，他承認(rèn)，盡管此前已經(jīng)負(fù)責(zé)多次神舟飛船返回艙的回收任務(wù)，但這次他的確感受到特別的壓力。

　　返回器首次再入大氣層結(jié)束后，飛行速度會(huì)下降到第一宇宙速度，因此第二次再入過(guò)程就與神舟飛船返回類似。榮偉透露，返回器的體積只有神舟飛船的1/8，但如果只是簡(jiǎn)單地將神舟飛船的回收系統(tǒng)等比例縮小，根本行不通。榮偉解釋說(shuō)，例如神舟飛船降落傘的傘繩有幾十根，如果按比例把返回器傘繩減成幾根，降落傘在空中難以成形，無(wú)法提供足夠的阻力減速。此外傘繩的直徑只有幾毫米，如按比例縮小，強(qiáng)度難以保證。

　　按照任務(wù)總體要求，返回器的重量和體積都受到嚴(yán)格限制。榮偉說(shuō)，神舟飛船降落傘的面積達(dá)上千平方米，通過(guò)新材料很容易把重量減下來(lái)。但返回器的降落傘本身面積就不大，用新材料減重的余地有限，只能靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)減重。而且返回器的質(zhì)量小，受外界干擾更厲害�？蒲腥藛T在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與神舟飛船沉重的傘艙蓋相比，返回器的傘艙蓋重量小，更容易受氣流擾動(dòng)，直接影響開(kāi)傘的可靠性。光為解決這個(gè)彈傘艙蓋問(wèn)題，他們就進(jìn)行了數(shù)十次測(cè)試。此外返回器在穿越大氣層時(shí)經(jīng)受的高溫比神舟飛船更高，開(kāi)傘裝置的工作溫度高了至少一倍，這也需要新技術(shù)來(lái)解決。據(jù)介紹，這個(gè)看似不起眼的開(kāi)傘動(dòng)作，其實(shí)技術(shù)含量很高。為研制不同高速下的開(kāi)傘技術(shù)，美國(guó)用了十多年。

　　探月工程總指揮許達(dá)哲總結(jié)說(shuō)，這次試驗(yàn)任務(wù)的成功，大幅提升了中國(guó)對(duì)高速條件下高空稀薄大氣的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等技術(shù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，提高了高速再入、稀薄大氣條件下的數(shù)學(xué)模型、物理模型精度，積累了高速近外層大氣飛行工程經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)了新材料的研制和航天裝備設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新。據(jù)介紹，科研人員將對(duì)回收后的返回器及此次再入返回飛行試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，為優(yōu)化完善嫦娥五號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。試驗(yàn)器的服務(wù)艙將繼續(xù)在太空飛行，并開(kāi)展一系列拓展試驗(yàn)。