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太空打水漂难在那美苏曾用过难度没中国高

2019/07/09 来源:哈密信息港

导读

“太空打水漂”难在那:美苏曾用过难度没中国高,24日凌晨2时,我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙改进型运载火箭,成功将探月工程三期再入返

“太空打水漂”难在那:美苏曾用过难度没中国高,

24日凌晨2时,我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙改进型运载火箭,成功将探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空。

【环球军事报道】按计划将于24日凌晨从西昌卫星发射中心升空的 再入返回飞行试验器 ,是中国探月工程三期任务中关键也是困难的一次试验。在发射之后,它将创造中国在太空中的多个首次,尤其是 太空打水漂 式的着陆方式让外界格外瞩目。为何这次技术试验如此引人关注?它对中国探月工程的意义到底有多大?为何要采用创新型着陆方式?多名中国航天技术专家向《环球时报》解释了这次试验背后的种种机遇与挑战。

探月三期面临四大难题

要了解这次试验的意义,首先得从它的性质说起。探月工程三期副总设计师郝希凡介绍说,与前几次嫦娥探测器的发射不同,这次进行的是一次技术验证性试验,通过飞行器的真实飞行,获取飞行器高速再入返回地球的相关轨道设计、气动、热防护、制导导航与控制等关键技术数据。飞行试验器发射升空后将经历星箭分离、地月转移、月球近旁转向、月地转移、返回地球附近、再入返回地球等6大关键节点,试验技术难度和创新性极高。

嫦娥三号任务成功后,中国探月工程全面进入 绕、落、回 的第三期,即 从月球采样返回 。 郝希凡说,通俗地讲,就是发射探测器在月球上挖一勺土,然后带回地球。然而要实现这个目的,我们面临着四大技术难题:首先是如何在月球上挖土取样;接下来登陆器怎么从月球表面起飞返回月球轨道;然后如何在月球轨道实现交会对接;探测器还要以接近第二宇宙速度的极高速度返回地球大气层着陆。郝希凡说,这些技术难题都是我们之前从未遇到过的,其中一步堪称整个探月工程三期里难的技术。

中国航天科技集团公司飞行试验器副总设计师张伍透露,飞行试验器由返回器和服务舱两部分组成。服务舱与嫦娥2号的外形很像,返回器则与神舟飞船神似,但体积只有神舟飞船的1/8。他表示,试验飞行器的轨道采用 8 字形的地月自由返回轨道,这种特殊设计巧妙地利用地球和月球引力,让探测器飞抵月球附近后绕半圈自动向地球飞来,可为未来嫦娥5号的月地飞行轨道规划提供很大帮助。不过航天科技集团五院专家戴居峰介绍说,由于月球的引力场分布不均匀,因此利用月球引力规划探测器的轨道并不容易,整个过程需要经过多次调整。

被高速 逼 出来的 太空打水漂

为何这次试验器返回时的速度成为探月路上 拦路虎 ?张伍解释说,普通卫星只是围绕地球旋转,速度达到宇宙速度(约为每秒7.9公里)即可;在前几次探月飞行时,探测器也只是从地球到月球轨道,速度会越来越慢;而这次试验飞行器还包括了从月球返回地球轨道的过程,速度越来越快,再入返回大气层时的速度已接近第二宇宙速度(每秒11.2公里)。

这个极高的再入大气层速度,带来一系列前所未有的特殊挑战。郝希凡说,返回器从100多公里高度进入大气层时,这个高度的大气非常稀薄,已经不是连续的气流,而是分子气层,会产生一系列特殊的气体效应。此外在大气层中超高速飞行会对返回器产生烧蚀,其程度也比以往要高得多。因此现有的载人飞船和返回式卫星的着陆模式都无法满足需求。张伍说,我们为此设计了特殊的着陆轨迹:返回器进入大气层后,通过飞行控制提升高度,在太空中滑行一段距离后再次进入大气层,然后在内蒙古中部地区着陆。这种降落模式的官方说法为 半弹道跳跃式飞行 ,因为它的原理和过程就像儿时玩的打水漂,因此又被形象地称为 太空打水漂 。

郝希凡介绍说, 半弹道跳跃式飞行 增加了在大气层的 一出一入 ,可以消耗掉返回器的部分能量,从而减小着陆速度,拉长航程,有利于选择降落区。据介绍,苏联和美国探月时也曾利用过类似原理着陆,但他们的航程没我们长,而着陆场比我们大。由于当今中国的人口密度大,适合充当降落区的地方有限,这对返回器的降落精度也提出更高要求。

回家之路 仍有不少难题

即便采用 半弹道跳跃式飞行 的特殊降落轨迹,返回器 回家之路 仍有很多未知难题。郝希凡承认,再入返回试验的基础是大量的地面设计、研究和试验工作。但是地面毕竟是模拟条件,模拟条件没有那么充分:比如地面要想模拟每秒11公里左右的飞行速度非常难;要模拟高层大气的真空度和化学反应也很难。因此,在地面只能分别分项做试验,而且逼真度不够。要检验设计方案是否正确,需要进行一次更为逼真的试验,也就是即将开始的 再入返回飞行试验 。郝希凡说,希望通过这次试验,能完整地验证我们的认识、我们的试验、我们的研制工作是否正确。他形容说,这就是 把试验场从地面搬到天上 。

张伍说,由于返回器返回地球时速度会越来越快,不但进入大气层时的姿态需要精确调整,而且对再入角控制的精度要求也非常高。如果角度小了,返回器就落不到原先指定的降落区,如果角度大了,就直接落入大气层飞不起来。张伍介绍说,由于返回器降落时的速度非常快,不可能依靠地面遥控指挥,为此还专门开发了半弹道跳跃式飞行的制导、导航与控制系统(GNC)技术,让返回器能自主控制, 这是再入飞行的关键 。他强调说,返回器在降落过程中的微小变动都可能带来影响。例如在次进入大气层时,返回器表面会因为高温烧蚀使其外形和重量发生改变,因此在第二次进入大气层时,返回器就必须考虑到这些因素进行自动调整。

返回器的防热设计也是这次试验的重要科目。郝希凡透露,为应对与大气层超高速摩擦带来的高温问题,中国航天专家们已开发了多项热防护技术。此外,返回器的特殊需求也为热防护技术带来难题。例如在太空时,返回器内部的电子设备工作会产生大量废热,需要被及时排出;而再入大气层时正好相反,返回器外壁与空气摩擦产生的上千度高温需要隔绝。据悉,这些难题均已通过新型防热材料和结构克服。▲【环球时报赴西昌特派 马 俊】

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