隔熱涂層精確到克 軌道設(shè)定不差毫厘

　　航天專家講述“小嫦娥成長記”

　　中國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地面測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”開始。返回器的速度極快，而且再入大氣層時(shí)會因?yàn)檫M(jìn)入黑障區(qū)暫時(shí)中斷通信，無法依靠地面引導(dǎo)，因此整個(gè)返回過程只能由返回器自主完成導(dǎo)航和軌道調(diào)整。在此過程中，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)完全由中國自主開發(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，由于受太陽風(fēng)、溫度等因素影響，高空天氣條件難以預(yù)測，返回器進(jìn)入大氣層時(shí)可能遭遇各種情況。他們對此進(jìn)行了上百萬次模擬試驗(yàn)，確保返回器返回時(shí)無論遭遇哪種情況，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，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。“在距離38萬公里的地月空間里，飛行軌道精度必須控制在厘米級別，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，科研人員需要提前估算出它的軌跡，這實(shí)際是數(shù)十萬公里外的一次交會。

　　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，“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)器的測軌精度。”據(jù)她介紹，參與聯(lián)合接力跟蹤的三個(gè)測站均位于境外，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)測的路線幾乎完全相同。戴居峰介紹說，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，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)就會出現(xiàn)看似微小的偏差，然而在數(shù)十萬公里的太空飛行里程中，積累起來就會有很大的偏差。

　　此外，由于返回器在太空中是失重狀態(tài)，在地面裝配時(shí)卻不可避免會受到重力影響。因此裝配人員必須估算出重力對設(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，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)動用全國的龐大人力和設(shè)備，但在發(fā)射前準(zhǔn)備階段只有10人有資格對飛行試驗(yàn)器進(jìn)行組裝操作。鮑曉萍說，組裝的十人團(tuán)隊(duì)號稱“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，飛行速度會下降到第一宇宙速度，因此第二次再入過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，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，神舟飛船降落傘的面積達(dá)上千平方米，通過新材料很容易把重量減下來。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)來減重。而且返回器的質(zhì)量小，受外界干擾更厲害。科研人員在試驗(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，直接影響開傘的可靠性。光為解決這個(gè)彈傘艙蓋問題，他們就進(jìn)行了數(shù)十次測試。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，開傘裝置的工作溫度高了至少一倍，這也需要新技術(shù)來解決。據(jù)介紹，這個(gè)看似不起眼的開傘動作，其實(shí)技術(shù)含量很高。為研制不同高速下的開傘技術(shù)，美國用了十多年。

　　探月工程總指揮許達(dá)哲總結(jié)說，這次試驗(yàn)任務(wù)的成功，大幅提升了中國對高速條件下高空稀薄大氣的氣動力、氣動熱、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，并開展一系列拓展試驗(yàn)。