月地往返背后的创新“智”造

月地往返背后的创新“智”造
来源： 中国航天报        日期：2014/12/19        字体：【大】【中】【小】
——航天科技集团五院总体部技术创新助力探月三期再入返回飞行试验任务纪实

11月1日6点42分，探月工程三期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。

作为此次飞行试验任务的技术抓总单位，五院总体部在承担总体设计任务的同时，还承担了结构与机构、机构、热控、供配电、数管、测控数传、天线和工程参数测量共8个分系统的研制工作，突破并掌握了地月自由返回轨道设计、接近第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回气动设计技术、可耐受高热流密度、大加热量的轻型热防护技术、异构式环路热管热控技术等一大批核心和关键技术，取得了一系列骄人的创新成果，不仅助力和支撑了再入返回飞行试验任务的圆满成功，而且彰显出总体部创新“智”造攀登新高峰、技术发展实现新跨越的雄厚实力与坚实步伐。本版将带您走近五院总体部，倾听设计师们讲述月地往返背后创新“智”造的故事。



“总想干点别人没干过的事。”——孟占峰

轨道设计的门道儿

月地转移飞行在我国是首次实施。如何将返回器这位“大明星”快、准、稳地送到再入返回点呢？这需要针对飞行过程中的任务约束和不确定因素，制定合适的轨道方案和控制策略，并实施精确的轨道控制。总体主任设计师孟占峰巧妙借助自然力量，创新性地采用自由返回轨道设计技术，设计出一套适合“小飞”的精准轨道方案。

自由返回轨道对我国航天型号来说是一个全新的轨道类型，该方案也是我国首个采用天体引力进行变轨的工程轨道设计方案。“轨道设计的最高境界就是充分利用天体间复杂的引力场关系，达到人类探测的目的”，负责轨道总体设计工作的孟占峰说：“自由返回轨道方案，就是其具体实践。这个轨道方案主要是借助月球引力将探测器的轨道进行巧妙地改变，从而将长征三号丙火箭的发射轨道和四子王旗的落点进行无缝平滑拼接，既可以避免任务过程中大幅度的轨道机动，又可以提高测定轨精度、保证返回器精确进入再入走廊。”

作为探月三期任务的一位“老人”，早在2008年论证启动时,还是航天新兵的孟占峰就参与其中。“这是一个开拓性的任务，开头非常难。好在读博士期间我就非常关注这方面的论文，特别是国际上的学术热点。入职后，跟着前辈学习，主动找论文、看文献，编软件，日积月累。所以接手飞行试验器任务时，我的脑海里已经有了一个粗略的轨道模型。”谈到自由返回轨道设计的前世今生，孟占峰娓娓道来。“提出这个方案时非常担心会不会被接受，因为这并不是唯一的方案。但是杨孟飞老总非常支持，经过严肃而认真的分析后，他认为这个创新性的轨道方案非常适合此次飞行试验任务。”探月三期探测器总指挥兼总设计师杨孟飞的支持和肯定给了孟占峰强大的信心和动力，“总是要干点别人没干过的事儿”，骨子里透出来的创新劲儿让孟占峰在轨道设计上攻城掠地，一路向前。而他提出的自由返回轨道设计方案与阿波罗任务相比，飞行时间更长，近月点距离月球更远，特别是轨道倾角改变更大，如此大的轨道倾角改变在国际上也是首次，因此，此次飞行试验器的绕月自由返回轨道设计处于国际领先水平。

在地月往返飞行过程中，因为受到入轨偏差、宇宙环境等因素影响，“小飞”需要择机实施轨道中途修正，校正航向。精确实施中途修正成为“小飞”顺利精准返回的关键。此次飞行试验器计划在飞行过程安排6次中途修正，但实际上只进行了3次，对于减少控制次数，降低压力，提高控制精度，提高任务可靠性具有重要意义。为什么能够顺利取消3次中途修正呢？这与孟占峰及其轨道设计团队提出的自由返回轨道中途修正策略体系密不可分。

与传统轨道设计策略不同，自由轨道采用了一次精确瞄准、多次逐步收敛的做法。首先，针对返回器高精度进入再入走廊的要求，设计团队提出了全目标策略，这为控制目标逐步逼近收敛提供了良好条件，也为取消中途修正、减少控制次数、提高可靠性提供了支持。其次，设计团队提出了消除分离速度影响的中途修正策略，为返回器精确进入再入走廊、获得足够的控制能力提供了有力的保障。此外，针对最后一次中途修正控制速度增量大、无法满足取消原则的问题，设计团队提出了一种降阶的中途修正控制策略，为取消最后一次中途修正提供了更大的可能，并为确保任务圆满完成奠定了坚实的基础。

谈到“小飞”的中途修正策略方案设计，孟占峰说，“由全目标策略、预偏置策略和降阶策略组成的完整的自由返回轨道中途修正策略体系，不仅在国内首次提出并首次成功进行了工程实施，而且国际上也尚未见过与该策略体系类似的论述，可见，该中途修正策略设计与实施处于国际先进水平。”

孟占峰用实际行动实现了“总是要干点别人没干过的事儿”的追求。



“满脑子都是冷了、热了。”——宁献文

“热开关”的巧心思

“小飞”在此次地月往返旅程中，面临的最大热控问题就是返回器再入大气前的大热耗散热和热导调节，以及再入过程中的热阻断。这一既散热又隔热的难题让热控分系统主任设计师宁献文及其热控团队花了不少心思。

“热控分系统要保证再入返回飞行试验器从发射到在轨飞行、两器分离及再入返回过程，直到寿命末期期间各种正常工作模式下设备的温度均满足指标要求。”宁献文介绍说。

飞行试验器是世界上首个小型低升阻比以接近第二宇宙速度采用半弹道跳跃式返回技术的航天器。这为热控设计带来了狭小、局促空间内大热耗设备热量的收集、传输、排散与阻断等一系列难题，不仅需要克服返回器特殊的半密封结构导致的内部在轨长期弱真空这一不利条件，还需要设计最佳的再入返回初始温度，以克服接近第二宇宙速度及超长航程所带来的气动热影响。热控设计面临前所未有的挑战。

“我们通过查阅文献、调研多种案例、全面对比神舟飞船和返回式卫星的热控思路，开展了整器热控总体方案设计和流程优化，提出了一种热控设计新思路，并成功研制了一套一体化高效热管理系统。”宁献文介绍说。

新思路成功破解了以上诸多难题。该热控方案在国际上尚属首例，它的成功应用填补了国际上小型再入返回类航天器热控设计领域的空白。

在这个热控方案里扮演“热开关”角色的是小小的“异构式环路热管”。别小看这种热管，其技术可是此次再入返回飞行器关键技术之一。“当器内设备发热大时，通过环路热管蒸发器自动带走热量，传输至返回器内壁面进行排散；当设备不发热或发热量很小时，关闭环路热管，可以在较小的热控补偿功耗下维持设备温度处于合理水平；当返回关头外部热量极高时，直接排放掉工质，最大限度阻止热量进入，这样的设计可以保证返回器冷热自知，自由飞行”，宁献文介绍说：“该技术主要由总体部热控产品总工苗建印老师带领研制团队攻克。”

在谈到攻克诸多研制难关时，苗建印说：“如何让环路热管运行起来是最大的难题。”为此，从设计到工艺，他们一点点地琢磨。2000年国庆节期间，他们耐心地调试到深夜，当发现热管运行起来时，手腿已僵硬的他们欣喜若狂。紧接着，他们又逐个攻克传输温差大、可靠性差、控制不量化等一系列问题。其中可靠性问题，涉及物理、化学等多学科难题，成为影响环路热管寿命的瓶颈。为此，团队自己培养的博士张红星一毕业，就接过“军令状”。他曾爬上15米的悬空楼梯，把长长的管子垂下来进行加速寿命验证。第一套针对长寿命的工艺方法也被制定出来……当环路热管再次被支在实验台上，它大大延长了寿命。

“异构式环路热管不仅在国际上是首次成功研制，而且实现了国产宇航级环路热管技术的首次突破，打破了‘宇航级’环路热管依赖进口的局面，还将国产环路热管产品成熟度提升到4级，为我国后续环路热管技术的大规模推广应用提供了坚实的基础。”宁献文介绍说。

此外，宁献文及其热控团队还在业内首次提出了一种在轨长期弱真空条件下的反约束热控设计方法，不仅有效提高了热控分系统的研制效率，其研制过程中的多层隔热组件在不同真空度下的基础测试数据有效填补了国内空白；在国际上首次使用了一种具有防静电功能的热控白漆作为返回器外部散热面涂层，优化设计出一个最佳的再入返回初始温度，对返回器安全着陆起到了至关重要的作用。

当被问及研制过程中印象最深刻的事儿时，宁献文脱口而出：“满脑子都是冷了、热了。”这个劲头让宁献文在荆棘丛生的热控道路上勇往直前。

                               
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“有信心百分之百会成功。”——董彦芝

轻新“防热衣”诞生记

探月三期的主要任务是完成月面采样返回，与返回直接相关的热防护技术是此次任务的核心关键技术。月球轨道高真空、超低温、大温差交变的空间环境，月球返回的高热流密度峰值、高焓、强气流冲刷、长时间、跳跃式再入的气动加热环境，以及结构轻量化的设计要求，需要创新性地研制出一类新型防热材料和轻量化的防热结构。而这一重任落到了返回器结构与机构分系统主任设计师董彦芝的肩头。

“为了打破因运载承载能力约束给返回器质量带来的严格限制，在设计过程中不仅需要采用新型低密度防热材料，而且返回器结构本身也需要采用轻量化的设计方案。”董彦芝介绍说。因此，从2011年1月起，她就带领研制团队开始了热防护关键技术的攻关工作。到2012年5月结束，整整16个月的时间，董彦芝不分昼夜地紧张忙碌着。她每天的时间表都排得满满当当，每一分每一秒都被利用得淋漓尽致。她仿佛是一只永不疲惫的陀螺，在“三点一线”的“跑道”上，反复推进、不断总结提高，昼夜与时间赛跑。

在大量研究、考察和试验的基础上，董彦芝抛开已有成熟的设计方式，创新性地对返回器结构进行了整体优化设计。“针对不同部位、不同热流密度峰值，选择不同的防热材料和防热结构形式；并采用整体变厚度、变密度、复合结构形式，降低返回器结构质量；采用外层防热和内层金属偏轴心的设计方式，结构设计质心向整器质心靠近，最终减少了返回器的配重量。”董彦芝介绍说。

在她的带领下，设计团队相继突破了可耐受高热流密度、大加热量的轻型热防护技术，研制出了新型防热材料和轻量化防热结构，并开展了烧蚀机理分析和验证，开发出7种具有国际先进水平的低密度烧蚀防热材料，创造性地完成了防热材料、防热结构及特种结构的验证试验，填补了我国低密度烧蚀材料的空白，为新型“防热衣”的诞生立下了汗马功劳。

跟董彦芝接触过的人都说她很“较真”。“只要是跟工作相关的问题，无论多小，哪怕是一个数据、一条曲线，她也从不放过。每次开会审查文件或者Avidm批准文件，她都会先仔仔细细地读完文件，把有疑问的地方标注出来，然后彻底问清楚，有时连错别字和标点符号中出现的错误都不放过。”一位与董彦芝并肩作战的同事说。

这一点在长达两个多月的飞行试验器发射场工作期间得到了充分体现。无论是分系统产品运输到发射场后状态检查确认、返回器发动机包扎状态检查确认、通气孔及泄压孔状态确认与保护，还是返回器合舱前状态检查确认、返回器部分缝隙防火涂覆等工作，董彦芝都亲自当场确认，不放过每一处细节。返回器表面共有近20处缝隙、170多个防热螺塞，她都一一做了检查，并出色地完成了项目办要求的发射场“三查双想”及专项复查工作，实现了发射场工作的“零故障、零缺陷”。

当上级领导向她了解研制情况时，董彦芝自信地说：“防热结构设计精细、分析全面、验证充分”，“170多个防热螺塞，我们均涂覆了防火腻子，并一一检查了，我有信心百分之百会成功”。



“难是肯定的，但并不可怕。”——陆亚东、李齐

气动设计没啥好怕的

作为返回器热防护、GNC以及回收等分系统设计与仿真的重要输入，气动技术研究工作的全面性和正确性也是“小飞”能否成功实施跳跃式高速再入返回的关键。

“此次飞行试验任务采用接近第二宇宙速度跳跃式再入返回，与当前我国已经掌握的返回卫星、神舟飞船等采用的第一宇宙速度近地返回相比，气动问题更加复杂，再入热环境条件更为严酷，对气动数据的精准度要求更为苛刻。”年轻设计师李齐介绍说，“首先，高速再入导致复杂流动效应影响增大，将对返回器气动力、热特性产生巨大影响；其次，由于跳跃式再入，烧蚀、燃料消耗等各种因素使二次再入地球大气的外形适应不确定性增加；再次，由于轻小型化要求，返回器尺寸比国内外任何一种半弹道式再入飞行器都要小很多，尺寸的减小和质量的降低可能导致返回器飞行稳定性下降，对气动特性预估准确度等方面也提出了更高要求。此外，返回器热环境比返回式卫星和神舟飞船返回舱要恶劣很多，必须要考虑高温辐射加热影响，而这是返回式卫星和神舟飞船返回舱分析再入热环境时不需要考虑的。”种种考验接踵而至，要解决这些问题，气动技术攻关势在必行。

技术难度大、时间紧迫，可参考、借鉴的资源欠缺……面对种种困难，气动总体设计队伍并没有退缩。“难是肯定的，但并不可怕。”李齐平静地说。自关键技术攻关阶段起，总体部气动总体设计团队就通过查阅、学习大量国内外参考资料和技术文献，从国内外同类返回飞行器的气动研究成果中汲取经验，同时积极向五院内外气动专家请教，经过一轮轮研究讨论，一次次分析计算，准确把握了返回器气动研究工作难点和关键点，制订了全面而详细的气动研究大纲。

“要突破半弹道跳跃式高速再入返回技术，气动设计、分析与验证必须解决外形、质心和数据三大需求。”总体部返回卫星与空间安全总体研究室副主任陆亚东介绍说。为此，以陆亚东、李齐等为代表的设计团队开展了有针对性的技术攻关与试验验证，并携手多个国内专业气动单位，开展了30余项研究工作，计算/试验状态超过20000个，逐步确定了返回器气动外形、配平质心盒、气动标称数据库及其偏差范围，为相关分系统的设计、仿真和试验提供了可靠数据输入。

功夫不负有心人。经过三年多的研究，总体部气动总体设计团队完成了世界上第一个300公斤级轻小型半弹道跳跃式深空高速再入返回器的气动外形设计和气动特性研究，首次提出了适用于轻小型跳跃式高速再入返回器的气动外形设计方法和基于时变估计偏差的配平质心盒设计方法，首次提出了适用于高速再入返回器的六自由度气动力偏差计算方法，首次完成了适用于第二宇宙速度再入的高空跨流域气动特性计算方法研究等，突破了多项关键技术，填补了多项国内空白，为实现月地高速跳跃式再入返回任务奠定了坚实的基础，综合技术达到了国际先进水平。

没有山峰是不可逾越的，没有难题是不能攻克的。气动总体设计团队折射出的创新智慧再次证明了这一点。（庞丹）