深空探測是一個(gè)國家綜合實(shí)力的象征，我國首次實(shí)施的再入返回飛行試驗(yàn)，將為2017年前后承擔(dān)“無人采樣返回”任務(wù)的嫦娥五號提供技術(shù)支持
在寂靜的太空中，美麗的月球再次迎來來自地球的訪客。
北京時(shí)間10月24日凌晨，我國自行研制的探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器(下文簡稱“飛行試驗(yàn)器”)，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號丙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。
飛行試驗(yàn)器，被科研工作者親切地稱為“探路小兵”。發(fā)射升空后，“探路小兵”將經(jīng)歷星箭分離、地月轉(zhuǎn)移、月球近旁轉(zhuǎn)向、月地轉(zhuǎn)移、再入返回、回收著陸等6大關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，整個(gè)過程約8天，預(yù)計(jì)將于11月1日返回地球。
航天科技集團(tuán)五院飛行試驗(yàn)器總指揮、總設(shè)計(jì)師楊孟飛介紹，此次“探路小兵”出行，如何安全地“回娘家”將是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。
“探路小兵”究竟由哪幾部分組成？它承擔(dān)著的主要任務(wù)目標(biāo)是什么？面臨著哪些風(fēng)險(xiǎn)？在研制過程中有哪些秘訣？帶著諸多疑問，《瞭望》新聞周刊記者專訪了“探路小兵”的研制單位——中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院(下文簡稱“五院”)。
把實(shí)驗(yàn)室從地面搬到天上
2013年12月，嫦娥三號任務(wù)圓滿完成后，我國探月工程轉(zhuǎn)入三期，即“繞、落、回”規(guī)劃的第三步。飛行試驗(yàn)器的成功發(fā)射，開啟了我國探月的新征程。
激流勇進(jìn)的深空探測，向來講求爭分奪秒、以快為先。我國計(jì)劃于2017年在海南文昌航天發(fā)射中心發(fā)射嫦娥五號月球探測器，進(jìn)行無人自動(dòng)采樣返回試驗(yàn)。
與嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號相比，嫦娥五號的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，由軌道器、上升器、著陸器和返回器等組成。而實(shí)施月地返回、半彈道跳躍式高速再入返回、返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、返回器防熱設(shè)計(jì)、驗(yàn)證半彈道跳躍式再入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制以及輕小型化回收著陸技術(shù)等六大技術(shù)難點(diǎn)是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵。
為了驗(yàn)證這些無法在地面進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)，必須“把實(shí)驗(yàn)室從地面搬到天上”，“探路小兵”甘當(dāng)開路先鋒，與時(shí)間賽跑。
在此次任務(wù)中，“探路小兵”并不需要走完未來嫦娥五號要走的全程，而將重點(diǎn)考察從距地約38萬公里的月球返回地球的回家之路。通俗地說，它的主要任務(wù)就是解決怎么順利飛到月球和怎么從月球安全、順利地回來。
“如同從高空往下扔石頭一樣，距離地面越高，石頭落地的速度就越快”，楊孟飛介紹說，這是我們第一次試驗(yàn)從月球返回地球。飛行試驗(yàn)器從距離地球38萬公里的月球返回地球時(shí)將會越飛越快，到達(dá)地球時(shí)的速度將十分恐怖，回到大氣層時(shí)接近第二宇宙速度(11.2公里/秒)，這要比神舟飛船返回地球的速度快很多，而與之相隨的摩擦熱防護(hù)等風(fēng)險(xiǎn)將嚴(yán)重威脅著“探路小兵”。
專家說，此次試驗(yàn)一大難點(diǎn)在于采用“半彈道跳躍式再入”方式返回地球。打個(gè)比方，“半彈道跳躍式再入”類似于在河邊打水漂，這個(gè)特殊的返回軌道目的在于降能減速，確保整個(gè)產(chǎn)品返回。
從2013年12月嫦娥三號探測器成功落月，到此次飛行試驗(yàn)器再次出征，我國的探月工程實(shí)施進(jìn)程不斷提速。中國科學(xué)院院士、飛行試驗(yàn)器總指揮、總師顧問葉培建說，探月工程“繞、落、回”三步走的戰(zhàn)略步驟，相互關(guān)聯(lián)，又不完全按順序排列，拿二期工程“落”和三期工程“回”來說，兩期任務(wù)各自有安排。同時(shí)，從嫦娥一號、二號，到三號任務(wù)，每次都完成得十分出色，原有的一些備份星的計(jì)劃安排也相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整，整個(gè)探月工程的進(jìn)程實(shí)際上已經(jīng)加快了。
“小果核”上的巧焊接
為了節(jié)省發(fā)射成本，“快、好、省”地驗(yàn)證這一技術(shù)，五院的科技工作者巧妙設(shè)計(jì)了“探路小兵”嬌小的外形和強(qiáng)健的體魄，并在新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝上下足了功夫，通過一系列的技術(shù)創(chuàng)新，為飛行試驗(yàn)器武裝起了更輕量、更穩(wěn)定、耐高溫性更強(qiáng)的“霓裳羽衣”。
楊孟飛介紹，飛行試驗(yàn)器由服務(wù)艙和返回器組成，其中，服務(wù)艙為2000多公斤，是個(gè)“大塊頭”，而返回器只有300多公斤，是與“大塊頭”緊密相連的“小不點(diǎn)”。
飛行試驗(yàn)器共有十一個(gè)分系統(tǒng)，即：結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、數(shù)管分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、工程參數(shù)測量分系統(tǒng)、GNC、服務(wù)艙推進(jìn)分系統(tǒng)、回收分系統(tǒng)。身著金色多層材料的服務(wù)艙以嫦娥二號衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，而銀色的返回器則與探月三期正式任務(wù)中返回器的狀態(tài)基本保持一致。
從外觀上看，飛行試驗(yàn)器的返回器很像是神舟飛船返回艙的縮小版。與神舟飛船返回艙相比，返回器的橫截面積僅為飛船的1/2，質(zhì)量僅為飛船的1/10。
航天科技集團(tuán)五院工藝師樊曉霞說：“雖然返回器小，但‘麻雀雖小五臟俱全’，法蘭和焊縫的數(shù)量一點(diǎn)不比飛船返回艙少。這就像在一塊大木板和一個(gè)小果核上雕刻同樣復(fù)雜的雕像，顯然后者的難度要高出好幾個(gè)量級。”
在“嬌小”的返回器艙體上焊接，這給師傅們出了個(gè)難題。五院529廠焊接工藝師曾如川介紹說，“別看艙體小，上面可是焊縫縱橫交錯(cuò)。有些焊縫之間的距離非常近，焊接時(shí)很容易產(chǎn)生相互的疊加影響，產(chǎn)生較大的焊接變形。”以往飛船返回艙在焊接時(shí)采用的是整體式工裝，由于艙體大、焊縫間距遠(yuǎn)，焊接時(shí)一般不用擔(dān)心疊加影響，但這個(gè)方法很明顯不適用于“濃縮版”的返回器。
既然整體式工裝行不通，那能不能“化整為零”呢？經(jīng)過深入學(xué)習(xí)、反復(fù)琢磨，曾如川設(shè)計(jì)出了一套全新的分體式工裝，每次只固定一個(gè)法蘭，焊接完了再進(jìn)行下一個(gè)。這套工裝結(jié)構(gòu)形式簡單，裝配操作方便，各個(gè)法蘭裝配和焊接過程互不影響和干涉，高質(zhì)量地解決了“小”艙體帶來的焊接難題。
私人定制巧渡“冰火兩重天”
“探路小兵”此次旅行前通過了重重考核。以熱試驗(yàn)來說，一般情況下即使像東方紅四號這樣的大衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星一次整星熱試驗(yàn)即可，而返回器的熱試驗(yàn)總數(shù)量不下十余次，可謂前所未有之多。
五院總環(huán)部還專門為其設(shè)計(jì)了紅外加熱籠，讓“探路小兵”能更真實(shí)地提前感受太空的環(huán)境，以保證其能在太空之旅中順利渡過“冰火兩重天”的考驗(yàn)。
據(jù)介紹，飛行試驗(yàn)器的返回器造型比較獨(dú)特，是一個(gè)底面直徑和高度都只有1.25米的錐形體，小小的身軀在熱試驗(yàn)中的加熱分區(qū)就多達(dá)32個(gè)。
總環(huán)部返回器熱試驗(yàn)負(fù)責(zé)人李振偉說，“這次返回器的紅外加熱籠，分區(qū)多，接口也多，而且構(gòu)型不規(guī)則，給設(shè)計(jì)制造帶來了很大的難度。”
熱試驗(yàn)的難度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。加熱籠與艙體之間的安全距離也不好把握，如果紅外籠離艙體太遠(yuǎn)，加熱籠帶條加電以后輻射溫度難以滿足高溫要求，這將導(dǎo)致熱試驗(yàn)不充分，不能達(dá)到預(yù)期效果；如果紅外籠離艙體太近，艙體部分位置可能超出溫度承受上限，就很容易造成表面損傷。
面對挑戰(zhàn)，總環(huán)部真空熱環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)組通過仔細(xì)研究返回器的外形尺寸、認(rèn)真分析熱流和操作安裝要求，采取了三維設(shè)計(jì)與熱分析仿真相結(jié)合的方式，最終確定采用5片紅外加熱籠拼合包裹大底、5片紅外加熱籠拼合覆蓋側(cè)壁的方案，順利完成了返回器紅外加熱籠的設(shè)計(jì)制作，為返回器量身定做出了一件精致的“衣裳”，確保了熱試驗(yàn)可靠、有效地進(jìn)行。
“探路小兵”的“秘密武器”
雖然飛行試驗(yàn)器的返回器只有神舟飛船返回艙大小的十分之一，重量只有300多公斤，尚不及國外同類試驗(yàn)器返回艙動(dòng)輒數(shù)噸重塊頭的一個(gè)零頭。可就是憑借這副小身板，試驗(yàn)器能做出“打水漂”式再入返回等一系列高難度動(dòng)作。其中的秘訣何在？
五院總體部彭兢副總師介紹說，飛行試驗(yàn)器在重量、體積大幅減少的情況下，性能不降反升的“秘密武器”在于其廣泛使用了大量高智能化、高集成度、小型化產(chǎn)品。眾多體積小、重量輕、性能高的小產(chǎn)品，共同打造出了飛行試驗(yàn)器“身材雖小本領(lǐng)大”的硬朗風(fēng)格。由五院人自主研發(fā)的小型星敏感器、第二代CMOS相機(jī)就是其中的典型代表。
由五院502所研制的小型星敏感器是一款“會思考、能自主決策”的高智能產(chǎn)品。依托嵌入在產(chǎn)品中的小型智腦，敏感器能把提取的星圖與智腦中存儲的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、分析，從而在蒼茫的宇宙中，找準(zhǔn)自己的位置、坐標(biāo)，對航天器在太空的自由馳騁進(jìn)行姿態(tài)控制。同時(shí)，星敏感器還能自如地應(yīng)對太陽光、星體反射光等惡劣空間環(huán)境的挑戰(zhàn)，快速做出一系列的應(yīng)急響應(yīng)，在精度控制上，更是首屈一指，達(dá)到毫厘不差的國際領(lǐng)先水平。
第二代CMOS相機(jī)是五院508所把輕量化做到極致的一款產(chǎn)品。每臺相機(jī)只有巴掌大小，重量不及一個(gè)蘋果重，卻集光、機(jī)、電、熱等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一身，具有長壽命、高可靠、自動(dòng)拍攝、實(shí)時(shí)圖像壓縮，能應(yīng)付惡劣太空輻射、溫度環(huán)境，能承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)等特點(diǎn)。首張中國人自己拍攝的地球全景彩色圖像、人類第一次近距離拍攝的“圖塔蒂斯”小行星等照片，均是出自第二代CMOS相機(jī)。
“深空探測領(lǐng)域是一個(gè)國家綜合實(shí)力的象征”，葉培建說，五院一直以來把深空探測作為技術(shù)創(chuàng)新的制高點(diǎn)，通過加強(qiáng)新技術(shù)、新產(chǎn)品的在軌驗(yàn)證，不斷提升我國空間技術(shù)的整體水平。以第二代CMOS相機(jī)為例，五院508所正在推進(jìn)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，力求通過模塊的獨(dú)立封裝，提升產(chǎn)品的批生產(chǎn)能力，讓高質(zhì)、高優(yōu)的產(chǎn)品服務(wù)更多航天器，甚至走進(jìn)人們的日常生活中。(文/《瞭望》新聞周刊記者袁元 特約撰稿伍軒)