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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

CE5T1任务圆满成功  

2014-11-01 08:39:38|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功

  北京时间年11月1日6时42分,再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。
  凌晨5时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向再入返回飞行试验器注入导航参数。 5时53分,再入返回飞行试验器服务舱与返回器在距地面高约5000公里处正常分离。
  6时13分,返回器以接近第二宇宙速度进入大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器向上跃起,跳出大气层,到达跳出最高点后开始逐渐下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。在降至距地面约10公里高度时,返回器降落伞顺利开伞,在预定区域顺利着陆。担负搜索回收任务的搜索分队及时发现目标,迅速到达返回器着陆现场实施回收。
  科研人员将对回收后的返回器及此次再入返回飞行试验获得的数据进行深入研究,为优化完善嫦娥五号任务设计提供技术支撑。试验器服务舱将继续在太空飞行,并开展一系列拓展试验。
  再入返回飞行试验器于10月24日在中国西昌卫星发射中心发射升空,进入地月转移轨道。在北京航天飞行控制中心的精确控制下,试验器成功实施2次轨道修正,于27日飞抵月球引力影响球,开始月球近旁转向飞行。28日晚,试验器完成月球近旁转向飞行,进入月地转移轨道。30日再次成功实施1次轨道修正后重返地球。
  有关专家称,首次再入返回飞行试验圆满成功,标志着我国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关键技术,为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。


探月工程三期再入返回飞行试验任务的圆满成功,标志着探月工程三期无人自动采样返回任务取得突破性进展,大幅提升了我国对高速条件下高空稀薄大气的气动力、气动热、热防护、制导导航与控制等技术机理的认识水平,提高了高速再入、稀薄大气条件下的数学模型、物理模型精度,积累了高速近外层大气飞行工程经验,带动了新材料的研制和航天装备设计方法的创新。


再入返回飞行试验圆满成功
中国航天科技集团公司负责研制的运载火箭、飞行试验器两大系统表现完美


来源: 中国航天报     日期:2014/11/01

北京时间11月1日6点42分,再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。这是中国首次迎来从遥远月球上空返回的人造航天器。
“舱器分离!”5点53分,北京航天飞行控制中心飞控大厅内,所有人都目不转睛地盯着大屏幕,迎来“嫦娥”回家路上的第一个紧张时刻。飞控大厅的大屏上实时显示,在距地面5000公里的太空中,服务舱缓缓向着返回器斜上方飞去,5米,10米,20米……距离越来越远。
服务舱规避机动!”舱器分离约3分钟后,为确保返回器安全,服务舱按照地面科技人员预设程序开始调姿,约8分多钟后开启发动机,进行规避飞行。就这样,服务舱与返回器“依依惜别”。很快,服务舱从大屏的三维动画中消失,返回器进入了自由飞行状态。
6点11分许,“建立返回再入姿态!”听到这声报告,飞控大厅的科研人员们一直悬着的心终于可以稍稍放松一下了。
2分钟后,飞控大厅气氛再次紧张起来。在距地面大约120公里的大气层边缘,“嫦娥”如流星般向地球大气层飞去。
持续3分多钟的初次再入,算得上是发生在地球稠密大气层里的一部精心动魄的动作大片。因为在这3分多钟里,“嫦娥”不但会因高速飞行与大气摩擦进入黑障,而且在黑障区会在稠密大气的阻滞下弹跳起来。就像在河面上打水漂一样,高速飞行的石块会在水的浮力作用下弹起再落下。
对于返回器来说,这一跳是生死攸关的一跳。如果跳不起来,“嫦娥”就会一头栽下摔个粉身碎骨;如果跳过了,“嫦娥”就会逃离大气层,无法二次再入。
“返回器第一次升力控制结束,转自由飞行段!”6点17分,“嫦娥”惊艳、完美地纵身一跃,跳出了大气层。这一跳意味着“嫦娥”跨过了返回最危险的一段,吹响了任务圆满成功的号角。
6点23分,“返回器转入二次再入飞行阶段!”返回器再次启动了升力控制。随后,北京航天飞行控制中心向各测控站发送了落点预报。
6点27分许,“嫦娥”第二次飞出了黑障区。时间一分一秒地过去,“嫦娥”离家的距离也越来越近了。
“弹伞舱盖!”6点31分,“嫦娥”在内蒙古上空10公里的地方启动了最后的回收程序。
短暂的十几秒钟后,“嫦娥”打开了伞舱盖,弹出了减速伞。很快,巨大的主降落伞在减速伞的拖拉下打开了。高速飞行、灵巧轻盈的“小嫦娥”在主伞巨大的拉力下,被拽了起来,仿佛仙女摇曳于空中的舞姿。
着陆场早已到达预定待命空域的直升机和地面回收分队,按照北京飞控中心发送的落点预报,向着目标着陆点靠拢。6点42分,在万众期待下,“嫦娥”翩翩落下,安全着陆。
随后,国家国防科工局局长、探月工程总指挥许达哲宣布我国探月工程三期再入返回飞行试验任务取得圆满成功!此次任务的圆满成功标志着我国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关键技术,为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。
总装备部副部长牛红光;科技部党组书记、副部长王志刚;中国科学院副院长阴和俊;国家国防科工局副局长王毅韧,中央纪委驻局纪检组组长王双林,副局长张建华、吴艳华,党组成员王承文;中国航天科技集团公司董事长雷凡培、总经理吴燕生、副总经理杨保华等共同在北京航天飞行控制中心指导工作。
再入返回飞行试验器10月24日在西昌卫星发射中心发射升空,进入地月转移轨道,并成功实施2次轨道修正后,于27日飞抵月球引力影响球,开始月球近旁转向飞行。28日晚,试验器完成月球近旁转向飞行,进入月地转移轨道,30日再次成功实施1次轨道修正后重返地球。
任务中,中国航天科技集团公司承担了运载火箭和飞行试验器的研制。试验器飞行期间,试验队员们秉承着优良的作风,在工作中攻坚克难、严肃认真、精准操作,为再入返回飞行试验的圆满成功作出了不懈努力,再一次为我国探月工程建立了卓越功勋。
此后科研人员将对回收后的返回器及此次再入返回飞行试验获得的数据进行深入研究,为优化完善嫦娥五号任务设计提供技术支撑。试验器服务舱将继续在太空飞行,并开展一系列拓展试验。
看到平安归来的“嫦娥”,飞控大厅里掌声再次响起,科研人员们纷纷开启“庆祝模式”,拥抱欢呼、合影留念。“心情非常激动!”探月三期探测器总指挥兼总设计师杨孟飞笑得十分灿烂,返回器GNC副总师王勇更是留下了热泪。
北京航天飞行控制中心外,云雾散去,又见蓝天。迎着一缕冬日初生的晨光,中国探月一个新的时代已经开启。(李淑姮 陈立 姜宁 祁登峰)

安全“回家”之六大关键技术
来源: 中国航天报     日期:2014/11/01

在太空遨游8天后,探月工程三期再入返回飞行试验返回器成功返回着陆在内蒙古四子王旗回收区。作为探月工程三部曲中“回”的这部重头戏,飞行试验器的使命特殊而艰巨:它是我国首次以接近第二宇宙速度再入返回地球的航天器,首次实施月地返回任务,首次实施半弹道跳跃式高速再入返回,验证返回器气动外形设计,验证返回器防热设计,验证半弹道跳跃式再入制导、导航与控制(GNC)技术以及验证轻小型化回收着陆技术。从这六大创新点可以看出,此次再入返回飞行试验任务技术新、难度大、系统复杂,给中国航天科技集团公司再入返回飞行试验器研制团队带来了巨大考验和诸多难关。
航天人一向不缺乏攻坚克难的干劲,在此次任务中,再入返回飞行试验器研制团队突破并掌握了一大批核心和关键技术,取得了一系列骄人的创新成果。
首次从月球“回家”
月地转移飞行在我国是首次实施,为保证返回器与服务舱分离后进入预定的再入走廊,为返回器提供良好的再入飞行过程初始条件,“需要针对飞行过程中的不确定因素,制定月地转移中途修正策略,并实施精确的轨道控制。”飞行试验器副总师彭兢介绍说。
飞行试验器由服务舱和返回器两部分组成。服务舱GNC副总师王晓磊介绍说,他们要努力把服务舱做得如同豪华超级跑车般,在按照精确轨道飞行后,将返回器这位“大明星”快、准、稳地送到再入返回点,保证其安全返回。
精心设计的气动外形
返回器高速再入的气动设计需要考虑高速段的化学平衡和非平衡效应、稀薄气体效应和滑移效应等复杂的流动效应,由此来优化气动外形,使得返回器具有良好的配平特性、升阻特性、稳定特性与热流分布特性。
同时,还需要精确分析再入过程烧蚀等因素对气动特性数据偏差的影响,提供一套满足工程设计精度要求的气动力、热数据,作为返回器防热结构与再入制导控制的设计依据。

“高难度”动作再入返回
在飞行试验任务中,飞行试验器从月球返回时,返回器以接近第二宇宙速度的高速再入地球大气,即每秒11.2公里。为满足返回国内着陆区的再入航程需求,同时兼顾返回器气动与防热、结构与构型和载荷等方面的设计,此次返回采用半弹道跳跃式再入方式。这种再入方式对返回器的气动、热防护、制导导航与控制、轻小型化回收着陆等技术提出了更高要求。
这是一系列严苛的要求,彭兢说:“不仅需要保证返回器在再入返回过程中受到气动作用后能够保持自身稳定性,还要保证返回过程中表面产生2000度以上的热量不会传递到返回器内,同时GNC控制分系统要设计复杂的控制规律和具备精密的惯性导航测量单元,应对复杂的大气活动,借助控制系统的发动机转换返回器姿态。
一条最佳的回家路
“纵使大气环境有再多的不确定性,返回器都要‘岿然不动’,从再入返回点找到一条最佳的回家路。”返回器GNC副总师王勇说,由于返回器半弹道跳跃式再入返回过程速度大、航程长、高动态、姿态与弹道耦合强烈、对控制实时性要求高,为此他们采用新的高速再入预测校正制导技术,同时应用高精度联合标定技术,引入轻小型化的高精度导航敏感器,采用高可靠性的再入GNC系统,开展充分的仿真试验,对高空大气模型的不确定性、不同高度、速度和烧蚀条件下返回器气动特性的不确定性和风修正等因素对飞行轨迹的影响进行分析和验证,确保返回器开伞点满足高精度落点的要求
舒服的“卧室”
返回器高速再入地球大气的热流密度峰值高、总加热时间长、总加热量大,其中热流密度峰值是神舟飞船的近4倍,总加热时间是神舟飞船的2倍多。为此,需在神舟飞船、返回式卫星和导弹防热结构技术的基础上,解决防热结构耐受高热流密度峰值、高焓、强气流冲刷、长时间及跳跃式再入环境的各项关键技术,同时满足防热结构在飞行过程中的低温适应性和轻量化设计等要求,研制新型防热材料和防热结构。
通俗地说,冷了要有暖风,热了要有空调,气动加热导致温度升高时,还要让返回器与热流隔绝。热控分系统主任设计师宁献文介绍说,为此次任务专门研制的异构式环路热管热控技术可以让返回器在历时8天的旅程中成功抵抗温差高达几百度的宇宙环境和烧蚀环境,这种可调节热导的“热开关”薄厚不一,设计人员一改以往做法,通过寻找最冷最热点,确保器内温度稳定、平均。
再小也要被找到
返回器质量、体积和布局等资源十分紧张,与神舟飞船相比,返回器的横截面积仅为飞船的1/2,质量仅为飞船的1/10,因此,飞行试验任务对高可靠的轻小型化回收着陆系统提出了更高要求。据彭兢介绍,返回器的重量只有330kg,为了减轻重量,里面类似飞机“黑匣子”的仪器,要从近6千克的重量降到1千克。
经过开展设计、分析和地面试验等,回收着陆系统要保证配合搜索的信标不被破坏,以技术状态正确的关键单机和设计可靠的关键环节,在第一时间发现回到家的再入返回飞行试验器。(李淑姮 庞丹)


探月三期再入返回试验圆满成功
中国成为回收绕月飞行器的第三个国家


    北京时间11月1日6时42分,再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,标志着我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。继前苏联和美国之后,中国成为成功回收绕月飞行器的第三个国家。
    这是中国继十次牵引神舟飞船返回舱从300多公里的近地空间返回地球后,首次迎来从月球上空返回的飞行器。
    国防科工局局长、探月工程总指挥许达哲表示,此次任务验证了接近第二宇宙速度再入的气动、热防护、制导导航与控制(GNC)关键技术,为探月三期工程打下了坚实基础。
    俗话说“行百里者半九十”。在这次历时8天多、总航程80多万公里的任务中,返回的最后数千公里尤为艰险。在此,科技日报与您共同回望返回器最后那段归途。
    将“明星”送上“红毯”
    此次任务中,飞行试验器由服务舱和返回器两部分组成。大部分旅程中,两者紧密相伴,直到距地球约5000公里处,服务舱才与返回器分离,将它“推”入“返回走廊”,完成备受关注的最后旅程。
    因此,如果把返回器比作一位明星,服务舱则像一辆轿车,不仅将它送上了红毯,一路上还负责了它的饮食、通信甚至“取暖乘凉”。
    航天科技集团五院飞行试验器系统副总设计师张伍介绍说,两者组合飞行过程中,是由服务舱给返回器供电,并负责对返回器的测控。其间服务舱高精度敏感器还对返回器敏感器进行了标定,以保证其返回时精度更高。
    五院飞行试验器服务舱GNC副总设计师王晓磊说,服务舱还通过制导导航与控制,帮助返回器实现了温度控制。比如其载荷关闭时,为防止温度过低,服务舱会把它转到阳光下晒晒;如果载荷开启,担心温度过高,则将其转到背阴处乘凉。
    5时53分,服务舱的4个爆炸螺栓开启,与返回器分离。王晓磊说,这一动作非常关键,要保证4个螺栓爆炸时间同步、力度均匀,才能把返回器准确地推进返回轨道,否则可能影响返回器姿态,甚至出现两器碰撞,很可能导致任务失败。
    分离后,返回器建立起独立的工作状态、启动自身电源,继续飞向家乡。而服务舱的任务也并未结束。
    王晓磊说,分离约20分钟后,服务舱会点火变轨,争取离开地球大气层。“这件事难度很大,如果‘跑’不出去,它将在印度洋坠毁;但如果成功了,可以利用它做一些工程上的验证。”他说。
    记者从北京飞控中心了解到,舱器分离10个小时后,运行在绕地大椭圆轨道上的服务舱转入了长期管理阶段,计划实施长达半年的拓展试验管理任务,如飞赴地月L2点、飞往月球进行环月飞行等,以验证未来“嫦娥五号”任务相关飞控技术。
    在太空画一道全新的弧线
    相比以往载人飞船飞回地球的轨道,从月球飞回地球的轨道有着巨大差别。
    五院飞行试验器副总设计师彭兢说,以往低轨返回的航程只有一千多公里,而这次任务中返回器需要走一条长达数倍且从未走过的路。
    “在接近地球时,虽然也可以通过不断变轨走以前的成熟路线,但代价是多背负几吨重的燃料。这显然不切实际。”他说。
    为满足返回路程、速度等多方面要求,五院502所科技人员“画”出一道全新的弧线。其中,制导导航与控制系统发挥了关键作用。
    五院飞行试验器返回器GNC副总设计师王勇介绍,通过“导航”可以知道返回器的位置,“制导”能帮它找到回家的路,“控制”则使它走上这条路。
    在服务舱、返回器分离的一瞬间,导航系统和高精度惯性测量单元准确测定出返回器的精准位置,在茫茫宇宙中标定了弧线的起点。自此,返回器进入制导走廊。这是个巨大的空间三维隧道,连接首尾的弧线有无数条,通过制导器件精准计算,预测出返回器下一个点的位置,在隧道中一个点一个点连成了最精确的弧线。最后,科技人员通过实时修正控制,确保返回器贴近最理想的轨迹。
    三站接力护送返回器精准穿越
    如果把地球比作一个篮球,返回器回家的通道宽度则比一张纸还薄。
    五院飞行试验器轨道主管设计师汪中生说,返回器的轨道设计对再入点参数精度要求非常高,必须精准穿越,才能安全返回地球。
    为了尽可能提高返回器的测轨精度,北京飞控中心在任务中首次采用三站联合接力跟踪技术。该中心飞控总体主任设计师席露华介绍,参与联合接力跟踪的圣地亚哥、玛斯帕拉玛斯和纳米比亚三个测站均位于境外,在地理分布上成三角几何状。就像三角形结构是最稳定的形状一样,采用三角几何状分布的测站联合接力跟踪测量,可以确保实现高精度轨道测量。
    该技术给飞控工作带来了许多难题。席露华说,科技人员从建立基础逻辑分析模型入手,做了上百次方案论证和误差分析,最终让一个个难题迎刃而解,为实现安全再入返回奠定了坚实基础。
    6时许,北京飞控中心大屏幕上出现了返回器的模拟动态。它越过了南大西洋、印度洋,沿着预定轨道向着祖国飞来。
    该中心测控通信指挥部指挥长陈宏敏介绍,为迎接返回器,测控通信系统沿返回走廊布设了一条地面测控链,通过它向返回器发送指令,并获取数据,实时计算返回器的轨道并预报其着陆地点。精确的轨道预报是引导测站跟踪返回器和进行返回器落点预报的前提。
    十余分钟后,返回器抵达距地面大约120公里的大气层边缘。
    在大气层打一个漂亮的“水漂”
    与神舟飞船以大约每秒7.9公里的第一宇宙速度返回不同,此次任务返回器进入大气层的速度超过每秒11公里,已接近第二宇宙速度。以这样的速度返回地球,如果不能有效减速,返回器会在大气层中烧蚀殆尽。
    为此,我国首次采用了半弹道式跳跃的返回方式。“跟我们小时候打水漂类似,飞行器要在大气层表面‘打个水漂’。”探月工程三期副总设计师郝希凡说,返回器首次进入大气层后将受控“跳”起,经过滑行再次进入大气层并飞向落区。如果成功,返回器的速度会进一步降底,降到第一宇宙速度时,后面的过程就轻车熟路了。
    这一跳并不容易。
    郝希凡说,高层大气变化无穷,受到黑天白夜、太阳风、地磁场等多种因素影响,大气变化误差很大。
    王勇表示,高空大气密度变化范围可达正负80%,低空大气密度变化范围也有20%—40%。“如果大气密度高,就让返回器早点跳;密度低就多降点再跳。”他说,返回器进入大气层后,制导导航与控制系统要实时对气动参数、大气密度等进行辨识、仿真和计算,且要在极短的时间内完成,对该系统带来了严峻考验。
    在持续3分多钟的初次再入后,返回器从距离地面60多公里处一跃而起,跳回约110公里高度,并按计划实现二次再入,完美地跨过了归途中最危险的“一道坎”。
    给热控加一个开关
    即使借助了跳跃方式,返回器再入大气仍会对热控带来挑战。
    返回器再入速度大、时间长,表面温度最高可达2000多摄氏度,如果传导到内部,将对其载荷产生严重影响;而在之前的飞行阶段,器上惯性测量单元工作时发热量很大,又必须释放出去。散热和隔热,成为科技人员必须解决的矛盾。
    抗烧蚀是第一道必需攻克的难关。五院总体部防热结构设计师们为飞行试验器巧妙设计了“防热服”。他们针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标,新研了7种防热材料,完成了防热材料的布局和局部防热结构设计,实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计的跨越。同时提出了三维传热烧蚀分析方法,在我国首次采用整体变厚度、变密度,分区域、偏轴设计方案,突破了轻量化设计关键技术,并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法,实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验,为任务成功奠定了基础。
    为让返回器在历时8天的旅程中成功抵抗宇宙环境和再入环境的温差,科技人员更是首次攻克的异构式环路热管热控技术。五院飞行试验器热控分系统主任设计师宁献文说,该技术就像给热控加了一个开关,需要散热时打开,需要隔热、保温时关闭,有效解决了返回器再入大气前的大热耗散热、热导调节和再入过程中热阻断等技术难题。
    回收成功率高于99.9%
    在距地面约11公里处,它的速度已降到每秒百米左右,进入了此次任务最后的回收着陆阶段。这时,它要用到最后一样减速装备——降落伞。
    五院回收分系统主任设计师荣伟说,返回器落地时,速度应降到每秒10米左右,为此开伞时机大有讲究。开得太早,强大的空气阻力会使得降落伞的温度不断升高,直至烧毁;开得太晚,返回器可能来不及降到规定速度就会撞到地面。
    此次任务中,五院508所的设计师首次把高度作为开伞的控制参数。回收系统副主任师江长虹说,无论返回器的飞行轨迹是否偏差,在到达11公里这一预先设计高度时,回收系统都会发出开伞指令。
    由于返回器仅重300多公斤,科技人员为它量身打造了轻小型化的回收系统。他们通过优化降落伞的结构设计、采用先进材料制造技术,实现了与伞衣密切连接的伞绳在承受力度不变的前提下减重20%以上。为确保安全可靠,他们在弹伞、脱伞等环节上都设计了备用方案以实现“双保险”,对降落伞开伞、弹出等关键动作的火工品进行了超过300件次的地面试验,还利用空中飞机投放、地面火箭助推等方式模拟不同的工作条件,进行了20多次试验验证。多管齐下,确保回收成功率高于99.9%。
    与神舟飞船相比,返回器往返于地月之间,将穿越地球外层空间高强辐射带,使其回收系统降落伞受到的空间辐射达到了神舟飞船降落伞的50倍。同时,飞行器再入返回与大气摩擦产生的高热,也会给降落伞带来风险。为此科研人员进行了大量空间辐射对材料性能影响的试验研究工作,采取了耐热、隔热等多种设计措施,保证回收系统的材料都能经受住极强空间辐射和高温考验。
    除打开降落伞,返回器还会启动无线信标,以便搜索。它配有两种信标,分别为国际救援组织通用频率和民用频率。
    6时42分,在着陆场光学雷达和红外雷达的注视下,返回器翩然而至,稳稳落地。
    (本报记者  付毅飞  科技日报北京11月1日电
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