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柵格舵:“一子級,請往這邊降落”

2019-11-3 13:56| 來源: 上海航天 | 查看: 2145| 責編: 潛艇4809

摘要:   2019年11月3日,長征四號乙運載火箭成功發射,這發任務還有一個特別之處,實施了基于柵格舵的一子級落區控制系統飛行演示驗證,技術演示驗證取得圓滿成功!
  2019年11月3日,長征四號乙運載火箭成功發射,將衛星送入預定軌道。這發任務有一個特別之處,那便是實施了基于柵格舵的一子級落區控制系統飛行演示驗證,技術演示驗證取得圓滿成功,充分驗證了柵格舵系統落區精準控制能力,這標志著運載火箭垂直起降的第一步已成功邁出。

第一步總是格外艱難
  早在2015年,805所運載總體室每一位設計師都收到了一封落區控制方案征集的郵件,當時作為空氣動力學專業的設計師陳雪巍,立即聯想到國際上一系列航天應用的創新思路,“那我們是不是可以用柵格舵來實現落區精準控制呢?”就是這樣一個想法的出現,點燃了導引線,牽引著柵格舵系統的創新研制之路。在經過總體室各個專業集中商討后,項目團隊把一份清晰的技術路線報告拿了出來,技術方案得到了型號兩總和部門領導的肯定,并在總體室部門內組建一支由總體、氣動、載荷、控制、結構、電氣等專業組成的項目研制團隊,一群有斗爭精神、喜歡搞創新技術的年輕人一起做“第一個吃螃蟹的人”。
那么,柵格舵究竟在哪一型火箭上搭載呢
  作為近地軌道主力運載火箭的長征四號乙系列火箭面對高密度發射任務,毅然承擔起此項重任,長征四號系列火箭型號兩總對此大力支持,并提出:“柵格舵落區精準控制是通往綠色航天的重要一步,我們要根據‘可靠性高、經濟性優,不影響主任務’的工作思路有序推進。”在前期設計階段,為搭載柵格舵系統,火箭的總體設計要進行相應的調整,型號兩總召集各專業技術人員給予充分的支持。在發射場測試階段,型號兩總也積極和發射場進行協調溝通,為柵格舵安裝、測試工作與現有流程并行推進創造有利的條件。
  要搞清楚柵格舵是否真的可以用來實現落區控制,首先就要從最基本的氣動特性開始研究,這是第一步,也是最重要的一步。
那么,什么是氣動特性,又是如何實現柵格舵落區控制的呢?
  就像小鳥或飛機的滑翔是借助風與翅膀在一定角度下產生的推力來實現的一樣,這個推力可以控制小鳥或飛機的行進方向。柵格舵的舵面大小、柵格數量和厚度等都將影響柵格舵的氣動特性,靠風作用在偏轉的舵面上所產生的不同大小和方向的推力,來實現落區控制。
  為驗證柵格舵在箭上的氣動特性,805所自籌經費建立系統仿真實驗室。該實驗室可以利用轉臺模擬火箭姿態運動,利用加載臺模擬柵格舵受到的氣動干擾力矩,一方面能降低項目論證成本,另一方面可以在設計前端保證產品的可靠性。在建實驗室期間,姿態控制專業主任師李鑫帶著徒弟奔波于各個外協單位,對接需求、敲定方案、安裝測試......由于涉及到的不同單位的外協件多,在各硬件聯調階段常出現通訊問題,李鑫為提高效率,在聯調前做了分隊調試計劃,合理安排兩兩一組,盡可能減少調試總時間。最終在計劃節點前完成實驗室的建立,這為本次發射搭載的柵格舵系統爭取到了半物理實物仿真的機會。
  其實,項目論證初期遠不止這些個準備工作,早在研制團隊成立之初,便按各個專業形成小組,分頭并行去外單位進行調研,并定期組織碰頭會,分享近期調研成果,凝練成初步的方案,因方案合理、路線可行在2016年得到了院自主研發課題的支持。經過1年多的深化論證,在2017年研制出了第一個柵格舵測量系統模塊,并于6月15日搭載長征四號乙火箭進行了飛行試驗論證,收集到一系列一子級飛行參數,為后續結構設計、測量系統設計、控制系統設計等提供有力的參數支持。
四大關鍵技術的突破將落區范圍縮小85%
  柵格舵研制團隊在項目研制過程中突破了基于柵格舵的一子級氣動特性研究、精確返回控制技術、熱防護技術和低成本獨立高集成度的電氣綜合系統四項關鍵技術。
  柵格舵主要是在一子級再入返回段中發揮作用,需要完成解鎖-展開-控制指令轉動等一系列復雜動作,在面對如何可靠實現這些復雜功能時,時任運載火箭總體室主任的吳佳林總工程師提出了一個好的解決方法:“雖然柵格舵所面臨的內外部環境和衛星天線、太陽帆板不同,但其展開機構的設計原理上是一致的,我們可以借鑒。”但運載總體室的設計師并不清楚如何實現這項技術,吳佳林立刻和結構機構研究室主任協調人員加入柵格舵展開機構的研制,無源類展開機構設計師宋佳就是在這時加入了研制團隊,通過對外部環境差別的研究,為柵格舵量身定制了一款展開鎖定機構,實現了驅動柵格舵展開并可靠鎖定,順利通過了常溫/高低溫展開試驗、振動試驗、靜力試驗等嚴酷的環境試驗考核,達到了預期目標,為后續多次飛行試驗的柵格舵展開成功奠定堅實的基礎。
  柵格舵另一大技術難點是熱防護技術,在一子級返回飛行的過程中,由于速度高達2300m/s,導致柵格舵需承受上千度的高溫和數噸的沖擊力,若防熱措施不到位,將導致柵格舵在高溫下損毀。由于柵格舵團隊對自身產品的高標準、嚴要求,瞄著標配化方向發展,輕量化、減少運載能力的損失是很重要的一點。為此,選用何種防熱材料、設置多厚的涂層厚度才能在保證耐高溫和輕量化之間取得最優。機械總體設計師李瑞鴻為此絞盡腦汁,通過調研多家材料生產單位,試用多種涂層厚度,排列組合下來也有十幾次的防熱試驗。進行防熱試驗的場所異常悶熱,李瑞鴻時感胸口堵塞,卻堅持每一次都到現場檢查和協調,陪著做完每一次試驗。皇天不負有心人,多次試驗后總算攻克了舵面前緣熱防護技術,保證了柵格舵系統成功抵御外界復雜環境的影響,圓滿完成試驗任務。
  在柵格舵系統上,我們首次采用了將測量系統和控制系統整合成一個電氣綜合系統的方案,并研制出一款低成本獨立高集成度的電氣綜合系統。該系統是控制柵格舵的“大腦”,它通過發送指令指揮舵面偏轉,引導一子級箭體向目標點飛行,并將飛行信息下傳至地面,為后續系統優化、拓展應用積累數據,同時也實現落區預報的功能。“兩個原本獨立的系統整合起來不僅使整體的重量、大小、成本都縮減,還克服了以往電纜眾多難以排布、接口眾多容易出錯等問題。不僅提高了研制效率,還能提升系統可靠性,有望實現標配化發展。”負責電氣系統的設計師描述道。
  如今,完整的柵格舵系統在經過本次搭載長征四號乙火箭成功完成飛行試驗之后,研制團隊的人員似乎更有底氣了,“我們不僅找到了落區精準控制的有效途徑,還收集到一子級降落過程中的大量飛行信息,為后續垂直起降重復使用運載火箭的研制攻關提供了有效的輸入。”

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