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五院“硬核技術(shù)”護(hù)航嫦娥六號(hào)返回器安全回家

時(shí)間:2024年06月27日 信息來源:本站原創(chuàng) 點(diǎn)擊:4723 字體:

6月25日,航天科技集團(tuán)五院(以下簡(jiǎn)稱“五院”)抓總研制的嫦娥六號(hào)返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域成功著陸,標(biāo)志著人類航天器首次月背采樣返回之旅圓滿完成,在人類探月歷史上書寫了濃墨重彩的一筆。


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經(jīng)過從地球到月球,再?gòu)脑虑蚍祷氐厍虻男请H旅行,攜帶著“月背土特產(chǎn)”的嫦娥六號(hào)返回器載譽(yù)歸來。然而,從太空到四子王旗預(yù)定落點(diǎn)的歸家路,卻是環(huán)環(huán)相扣、不容有失。這背后,正是五院的“硬核技術(shù)”和“明星產(chǎn)品”一路護(hù)航嫦娥六號(hào)返回器平安回家。




星際上演第三次
近第二宇宙速度“太空水漂”


從月球高速飛向地球可謂風(fēng)馳電掣,如何減速成為嫦娥六號(hào)返回器安全回家的關(guān)鍵。在返回階段,星際上演了精彩的第三次近第二宇宙速度“太空水漂”。


“太空水漂”,即“半彈道跳躍式返回”。嫦娥六號(hào)返回器要兩次進(jìn)入地球大氣層:從距離地球高度上來看,返回器在第一次以近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層后,要經(jīng)歷一個(gè)從一步步接近地球到一點(diǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)離地球并穿出大氣層的過程,就像打了一個(gè)水漂。這樣的設(shè)計(jì),就是要利用數(shù)千公里大氣層的阻力和與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量快速消耗返回器的能量,使其在再次穿出大氣層時(shí)的速度降到第一宇宙速度以下,不再具備環(huán)繞地球飛行的條件,隨后第二次進(jìn)入大氣層,之后的路程就輕車熟路了。


“太空水漂”所采用的核心技術(shù)擁有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的專業(yè)名字:全數(shù)字全系數(shù)自適應(yīng)預(yù)測(cè)校正制導(dǎo)技術(shù)——這是月球采樣返回任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。為了驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù),我國(guó)于2014年專門發(fā)射了月地高速再入返回飛行試驗(yàn)器并取得了圓滿成功,支撐了我國(guó)航天器首次采用“打水漂”的方式返回地球。嫦娥五號(hào)任務(wù)是第二次采用該項(xiàng)技術(shù)。嫦娥六號(hào)月背自主采樣返回任務(wù)的圓滿成功,再次驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)適應(yīng)性、高精準(zhǔn)度和高穩(wěn)定性。


“打水漂”的最大風(fēng)險(xiǎn)是第一次穿越大氣層。這個(gè)過程中,大氣擔(dān)任了雙重角色:一方面要充當(dāng)阻力,盡量降低返回器的速度,又要保證返回器有足夠能量再次躍入太空;另一方面,還要充當(dāng)升力,讓返回器保持一定的飛行路徑,確保不撞向地球,并保證在速度降到一定程度后能順利躍起。在這個(gè)過程中,既不能讓返回器減速太多或太少,還要在固定的位置穿出大氣層——駕駛返回器完成這一高難任務(wù)的就是“明星舵手”GNC(制導(dǎo)導(dǎo)航與控制)系統(tǒng)。


為了實(shí)現(xiàn)“順利跳起,準(zhǔn)確著陸”的目標(biāo),五院502所研制團(tuán)隊(duì)面對(duì)挑戰(zhàn),勇于承擔(dān),在返回器GNC系統(tǒng)的研制過程中開展了大量模擬飛行試驗(yàn),模擬了上千萬(wàn)條飛行路線,確保任務(wù)順利完成。



回收任務(wù)“精誠(chéng)團(tuán)結(jié)”

接力護(hù)航回家路


此次返回任務(wù)中,由五院508所研制的紅白相間、光彩奪目的降落傘依然是回收系統(tǒng)的“耀眼明星”。為確保返回器安全著陸于預(yù)定地點(diǎn),降落傘以兩級(jí)減速的方式,綻放兩次“紅白傘花”,護(hù)佑返回器穩(wěn)穩(wěn)落于地面:第一級(jí)降落傘是朵面積只有2平米的“小花”,即減速傘,它負(fù)責(zé)“踩一腳剎車”,對(duì)返回器進(jìn)行初級(jí)減速,并在踩完剎車后分離拉出主傘;第二級(jí)降落傘是朵約為50平米的“大花”,即主傘,負(fù)責(zé)把返回器速度由三百公里每小時(shí)降低到不超過五十公里每小時(shí),最終安全著陸。


說到這里,大家會(huì)不會(huì)以為只有降落傘在回收任務(wù)中獨(dú)挑重任?其實(shí)在整個(gè)回收系統(tǒng)中,降落傘只是“兩朵紅花”,還有“多片綠葉相襯”共同完成工作。這些默默無(wú)聞的“綠葉”,包括回收控制器、壓力高度控制器、彈射器、非電傳爆裝置、連接分離機(jī)構(gòu)、減速傘脫傘器、傘艙、過載開關(guān)、天線蓋火工鎖等。


其中,回收控制器是回收系統(tǒng)的“大腦”,控制著每一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作,在返回器距離地球數(shù)千公里時(shí),它就已經(jīng)進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。在返回器進(jìn)入大氣層后,回收系統(tǒng)的另一位成員壓力高度控制器,就像“耳朵”一樣,時(shí)刻聆聽著外面的“風(fēng)聲”,通過“耳膜”感受壓力以計(jì)算出返回器所處的高度。當(dāng)高度達(dá)到預(yù)定的10公里附近時(shí),壓力高度控制器會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)給回收系統(tǒng)的“大腦”,“大腦”隨即發(fā)出彈傘艙蓋的點(diǎn)火命令。


接到點(diǎn)火命令后,四只負(fù)責(zé)彈傘艙蓋的彈射器,就像“推手”一樣,將傘艙蓋瞬間推出。為了保證“推手”們同時(shí)發(fā)力平穩(wěn)彈出傘艙蓋,還需要“二傳手”非電傳爆裝置,在“大腦”直接指揮啟動(dòng)下,該裝置精準(zhǔn)同步轟擊點(diǎn)燃彈射器——彈射器瞬間平穩(wěn)彈出傘艙蓋,傘艙蓋拉著減速傘包,采用“我?guī)泔w”的方式,將減速傘包拉離傘艙,隨后,隨著減速傘包的飛離,減速傘傘繩和傘衣依次從傘包中拉出。減速傘衣被全部拉出后,傘艙蓋只帶空傘包飛走,減速傘則被連接分離機(jī)構(gòu)緊緊“抓住”,留在返回器上。減速傘工作一段時(shí)間后需要脫離返回器拉出主傘,為了確保脫減速傘可靠,連接分離機(jī)構(gòu)“抓”減速傘采用“握手”方式,只要一只“手”松開即可脫減速傘,這也是研制人員經(jīng)過深思熟慮和多次試驗(yàn)驗(yàn)證后的最佳方案。


隨后,安裝在返回器“腳底板”上的過載開關(guān)感受到返回器落地沖擊后,會(huì)立即“告知”回收系統(tǒng)“大腦”?!按竽X”在接到落地信號(hào)后,還會(huì)指揮彈射天線蓋、斷開電源等系列動(dòng)作。過載開關(guān)發(fā)出著陸信號(hào),標(biāo)志著回收系統(tǒng)護(hù)送嫦娥六號(hào)返回器平安回到了地球,完美完成了人類首次月背采樣返回的任務(wù)。


除回收系統(tǒng)“眾星護(hù)器”外,測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)也發(fā)揮了重要作用。其中,由五院510所研制的“明星產(chǎn)品”——國(guó)際救援示位標(biāo),在返回器落地后會(huì)發(fā)射無(wú)線電信標(biāo)信號(hào),確保搜救人員能夠快速找到返回器。值得一提的是,該產(chǎn)品在重量和體積“雙減”的情況下,大幅提高了抗力學(xué)沖擊能力,還使目標(biāo)的多普勒頻移定位精度得到有效提升,同時(shí)減少了星上能源的消耗。



“金鐘罩鐵布衫”鑄就

返回器“金剛不破之身”


嫦娥六號(hào)返回器安全著陸后,見到它的人都被其烏黑的外表所震撼,那是被大氣層燒蝕過的斑駁痕跡。嫦娥六號(hào)返回器雖然個(gè)頭小,但是由于再入速度快,高溫?zé)撇豢杀苊?。為保證返回器既防熱又能抗燒蝕,嫦娥六號(hào)返回器充分借鑒了嫦娥五號(hào)返回任務(wù)的寶貴經(jīng)驗(yàn),根據(jù)不同部位耐燒灼和隔熱的具體需求與指標(biāo),制備了一件量身定制的“貼心防熱衣”,為其安全順利返回地球家園提供了保障。


此外,嫦娥六號(hào)返回器金屬殼體也是確保返回成功的重要因素。由于返回器個(gè)頭小,蒙皮厚度極薄,外形面輪廓度、艙體法蘭尺寸精度要求更高,可以說是迄今為止難度最高的艙體組合加工——因此也被五院529廠的研制人員親切地稱為“小寶貝”。


因返回器結(jié)構(gòu)小,各類艙體焊接類零件在與薄蒙皮進(jìn)行焊接時(shí),均為壁薄、弱剛度大懸空區(qū)域結(jié)構(gòu),若控制不好就會(huì)造成研制過程中應(yīng)力變形,將影響艙體焊后的輪廓度。針對(duì)返回器球段法蘭的焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研制團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)工裝提高了焊縫質(zhì)量和焊接變形控制的效果,最終滿足苛刻的整器外形面輪廓度要求。


據(jù)嫦娥六號(hào)返回器零組件研制人員回憶,從工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程到數(shù)控加工,其結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、難度之高令人感嘆。為此,研制人員從工藝仿真、工裝設(shè)計(jì)和工藝流程等全研制流程進(jìn)行了迭代細(xì)化和優(yōu)化,保證了艙體零件高精度研制、艙體焊前低應(yīng)力裝配,最終確保返回器的各項(xiàng)尺寸精度指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,圓滿完成了返回任務(wù)。




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