“黑科技”为中国新一代载人飞船保驾护航

2020-05-15 08:58 来源:科技日报 1366 点击

据中国载人航天工程办公室消息,2020年5月8日13时49分,我国新一代载人飞船试验船返回舱在轨飞行2天19小时后,在东风着陆场预定区域成功着陆,试验取得圆满成功。笔者从中国航天科技集团五院了解到,为飞船配备的多种“黑科技”,是确保它成功返航的秘诀。

全新铠甲确保气动防热

返航时,试验船返回舱会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,五院总体部为其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。

新型控制技术确保精准返回

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。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。

群伞系统确保安全减速

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。

6个“轮胎”确保平稳落地

返回舱落地时,当然不能硬邦邦地砸下来。试验船底部安装了6个气囊,帮助舱体平稳软着陆。为了适应试验船的大重量,设计团队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。

双重保障确保快速搜救

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。设计团队研制的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,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。

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