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6项黑科技护航回家路

三朵红白相间的巨大“伞花”在回收着陆场上空绽放,近7吨重的返回舱仿佛按下了慢放键,缓缓摇曳着向地面降落。返回舱离地面越来越近,6个气囊打开,落地缓冲、平稳着陆。

5月8日,由中国航天科技集团有限公司第五研究院抓总研制的新一代载人飞船试验船返回舱成功降落在预定区域,标志着试验船飞行试验任务取得圆满成功。

试验船于5日18时,从文昌航天发射场发射升空,在轨飞行2天19小时,完成了多项空间科学实验和技术试验,验证了新一代载人飞船高速再入返回防热、控制、群伞回收及部分重复使用等关键技术。据中国航天科技集团五院披露,该院为试验船配备多项黑科技,成为确保它成功返航的秘诀。

新一代载人飞船,是我国全面升级版的天地往返交通工具,它近可送航天员往返离地球近400公里的中国空间站,远可完成38万公里外的载人登月甚至去更远的星球探险,既能载人又能载物,还可重复使用降低成本,将大大提高我国载人天地往返运输能力。

仔细一数,返回舱上共应用了6项黑科技“保驾护航”。最值得一提的是,返回舱套上了全新防热铠甲,不仅具备防热“超能力”,重量还比传统材料降低了30%。

“如果有机会从太空观察试验船返回舱再入返回过程,会发现它是一个边燃烧、边以10倍于歼20飞机的速度突飞猛进的‘火球’,迫不及待地投向地球的怀抱。”中国航天科技集团五院技术人员这样形容飞船返回地球的过程。要知道,试验船返回舱需要以接近第二宇宙速度再入大气,气动力最高值超过70万牛顿。再入过程中,试验船与空气发生剧烈撞击和摩擦,由此产生极为剧烈的气动加热效应,产生的温度高达上千度。

对此,五院为试验船返回舱设计了可拆卸式防热与承载一体化结构。这一副防热铠甲,作用至关重要。

据了解,这一新型防热材料由五院529厂研制,它在具备防热超能力的同时,重量比传统材料降低了30%。这种同时具备轻量化、高强度、抗烧蚀等性能的防热材料,突破了国内三维纤维结构增强抗烧蚀纳米材料体系研发技术,开创了大型防热结构一体化制备技术的应用先河,未来将有力支撑我国多个型号发展。

试验船返回舱的再入过程,就像让一个已经高速到达山顶的滑雪运动员,沿着陡峭的山坡疾速俯冲,最后以合理的速度准确到达山脚下的终点。

此次滑行可谓危机重重,如果运动员不具备很好的操控和预判能力,要么会偏离指定赛道,要么会偏离终点。这要求他必须准确判断自己的滑行状态,推算出后续路线,同时能够精准控制下滑轨迹。

在试验船再入过程中担此重任的,是制导、导航和控制(GNC)系统。五院502所GNC系统工程师们为试验船设计了新型预测-校正轨迹控制策略,能够根据当前飞行状态,准确判断与目的地的偏差,以及任务的特殊要求,根据判断结果调整升力方向并决定后续飞行轨迹,进而精准地控制试验船完成再入飞行。

如果研究试验船的轨迹,会发现是一条弯弯曲曲的“蛇形”,这就是GNC系统指引它走出的平安回家之路。

试验船返回舱比神舟飞船返回舱更大、更重,重新进入大气层后,需要更为强劲的减速动力和平缓的载荷控制。

如果沿用传统的单伞减速方案,要研制更大的降落伞,这从技术和经济方面都不是最合适的选择。为此五院508所科技团队设计了3具与神舟飞船降落伞面积相当的降落伞,组成群伞系统完成空中减速。这3具降落伞不是简单的组合,它们既能齐心协力、相互扶持,又能和睦相处、互不干扰。

借助群伞系统,不仅可以使超高速飞行的返回舱在极短时间里减到市区里汽车的行驶速度,还能确保将来航天员乘坐飞船返回时,过载和姿态旋转感受良好。

返回舱落地时,当然不能硬邦邦地砸下来。研究人员在它的底部安装了6个气囊,帮助舱体平稳软着陆。

为了适应试验船的重量,五院508所设计了大型缓冲气囊,每个气囊充满气后相当于卡车轮胎大小。针对不同着陆情况,这6个“轮胎”会先后排气,确保返回舱平稳落地。

为了保证气囊在发射时处于稳定牢靠的折叠包装状态,在需要充气展开工作时又能够顺畅迅速打开,设计师研究出一种链式封包的固定和解除技术,并开展了大量地面充气展开试验、风洞试验、真空环境试验,成功解决了难题。

返回舱回到地面后,能否快速找到它,直接决定着整个任务的成败。在试验船上采用了两项黑科技,能确保返回舱准确定位。

五院西安分院研制的GNSS天线网络,是帮助返回舱与地面取得联系的关键设备。返回舱的降落地点、搜救信号等都要通过该天线网络发送出去,可以说,它是返回舱随身携带的“救生电话”。

由于返回舱在重返地球过程中,经历的环境极其恶劣和复杂,实际落地位置可能超出预定搜索范围,甚至落在海上。如果出现这种情况,五院510所研制的国际救援示位标将发挥作用。该设备发射的无线电信标信号,能够被全球海事卫星搜救系统识别,从而让搜救人员快速找到返回舱。

这次圆满完成任务的是新一代载人飞船的“试验款”,专家介绍此次试验的新飞船,可以用几个关键词来概括:

飞船个头很大,可乘坐6到7名航天员。跟“三座”的神舟飞船相比,直径扩大了60%、吨位提升了175%,“内存”容量增加了140%。

与神舟飞船三舱结构不同,新飞船是“两居室”,一个是返回舱,是整船的指令中心,也是航天员生活起居的地方;另一个是服务舱,是整船能源与动力中心。

飞船只安装环控生保、人机交互等直接关系到航天员生命安全和飞船操控的相关设备,为“驾驶室”腾出了大量空间,也最大限度地避免了大量设备和航天员共处一室的安全隐患。

设备不占空间,人在里面也就有了更多活动空间。飞船的“驾驶室”比神舟飞船大了1倍,可分为工作区、娱乐区、餐饮区以及卫生区,为航天员提供了更舒适的乘坐环境。另外这里还将配置生活娱乐大屏,让航天员太空旅行变得更加丰富多彩,通过穿戴式显示仪表,航天员还可以时刻了解飞船的健康状况。

与以往行驶路线调整需要飞船和地面测控配合完成不同,飞船的GNC系统可以独立控制飞船飞行,进一步提高了自主运行能力、在轨生存能力和应用潜力,同时降低了维护运营成本。

试验船入轨后,“飞船大脑”——GNC系统自主确定行驶路线并进行导航,还能实时掌握飞船当前的位置和速度。简单来说,“飞船大脑”不仅能知道飞船现在处在什么位置,而且还知道将要去哪里,走哪条路能更快到达目的地。有了这些技能,飞船的GNC系统便可以不依赖地面,独立控制飞船飞行了。

飞船还能自己给自己“看病”。在飞行过程中它实时关注着自己的健康,一旦出现问题,通过系统智能的算法能自己给自己“诊断”。

随着我国航天事业的发展,新一代载人飞船将面临频繁的天地往返运输任务,这就需要研发更经济、更高效的交通工具。新一代载人飞船便计划通过适应多任务来降低研制成本,通过可重复使用来降低使用成本。

为了实现多功能使用,飞船采用“搭积木”式的模块化设计,不同任务通过相同的返回舱和不同的服务舱就可完成。换言之,航天员驾驶飞船不仅可以去距离地球近400公里的空间站做客,同时在返回舱不变的基础上,换上“新铠甲”和动力更强劲的服务舱,就可以到月球甚至更远的深空转一圈。

不光整船可以模块化,返回舱也实行模块化设计,这样新飞船可以在“客车”和“货车”间切换。既能轻松把航天员送到空间站,也能给空间站运送大量补给物资,或者把航天工程师们在空间站所做的一些试验样品带回地球。

据悉,研制团队将力争实现返回舱可重复使用10次,这样既满足多种任务要求,也能大大缩短研制周期、降低研制成本。

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