航天五院508所黄伟总师团队:嫦娥五号回收系统创新揭秘

2021-10-09 12:01:50 科技日报 阅读(8)

  在第十三届中国国际航空航天博览会(珠海航展)上,中国航天局展出了月壤储存罐,这是嫦娥五号返回器带回月球样本的储存罐。嫦娥五号返回器任务的成功,离不开回收系统的贡献。近日,发表在期刊《空间科学与技术》(Space:Science &Technology)上的论文《航天五院508所黄伟总师团队:嫦娥五号返回器回收系统的设计与实现》(Design and Realization of Recovery System of Chang’e-5 Reentry Spacecraft),介绍了嫦娥五号返回器回收系统的技术要求和限制,回收系统的设计过程,地面伞舱盖弹射试验、空投试验和飞行试验等设计结构的验证试验。结果表明,嫦娥五号返回器运行良好的回收系统能够实现中国首个月球采样任务。

  《空间科学与技术》(Space:Science &Technology )是北京理工大学(BIT)、中国空间技术研究院(CAST)和美国科学促进会(AAAS)/ Science共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊,采用开放获取(OPEN ACCESS,OA)平台出版,该刊是美国科学促进会(AAAS)自1880年创建Science期刊以来的第一本航天领域的伙伴期刊。该刊由工业和信息化部主管,美国科学促进会(AAAS)和北京理工大学出版社联合出版发行。

  新型回收系统需质量轻、可靠性高、环境适应性高

  该论文显示,2020年12月17日,在降落伞的作用下,携带月壤样本的嫦娥五号返回器安全着陆。与返回式卫星、载人航天器或其他近地轨道航天器回收系统的返回和再入过程相比,嫦娥五号返回器具有更多的特殊之处。比如返回器以约11千米/秒的速度进入地球大气层(接近第二宇宙速度),其再入速度远超我国返回式卫星或神舟载人飞船等其他可返回航天器;返回器体积小、重量轻,对质量特性配置的精度要求极高;回收系统的总质量和体积非常有限。因此,嫦娥五号的新型回收系统需满足质量轻、可靠性高、环境适应性高等要求。

  但基于运行环境、可靠性和安全性考虑,回收系统的设计面临诸多要求和限制。比如着陆总重为310公斤且有降落伞辅助的情况下,返回器在海拔1千米的着陆区域垂直降落速度不超过13米/秒;开伞高度不小于10千米的海拔高度;能够在1.8-3.8 kPa动压范围内正常开伞;回收系统的可靠性应大于0.99(置信度为0.8)。

  此外,基于重量、空间、动力源及其他考量,回收系统的设计还有开伞过载不超过7克;回收系统总质量不超过26公斤;降落伞总包装体积不超过23升;回收系统总功耗不超过15W(瓦)等限制。

  该论文介绍,基于效能的要求,嫦娥五号返回器回收系统需要实现气动减速、回收程序控制、指令状态反馈、动作指令的瞬时执行(如伞舱盖弹射、降落伞拉直)。回收系统由降落伞、结构机构组件、回收控制和火工装置四个子系统组成。

  综合考虑降落伞下降速度、开伞条件、开伞力、降落伞与航天器的组合系统运动稳定性、降落伞装置的安装布局、质量和体积的约束等因素,回收系统采用两级减速方案——依次使用减速伞和主降落伞实现减速。

  回收控制的设计主要包括返回器多通道指令接收、降落伞打开控制、降落伞系统启动后的工作顺序控制、火工装置点火控制和回收系统的状态反馈。

  从嫦娥五号返回器的总体设计可见,回收系统采用侧向弹盖开伞方法,并利用伞舱盖的弹射和分离,直接拉出减速伞包,从而实现减速伞的拉直。与神舟系列航天器相比,尽管开伞方法类似,但嫦娥五号的弹射方案减少了用于拉开减速伞的装置,从而简化了回收系统的组成,降低了降落伞系统的质量和体积。而且嫦娥五号回收系统的导引伞和主降落伞均采用单点吊挂设计,吊挂点位于降落伞舱的顶部。减速伞和主降落伞通过集成的连接分离机制依次连接到返回器。释放机构采用拔销器设计,只要有一个释放装置拉回连接销,减速伞吊带上的套筒就可释放约束,实现分离。

  该论文指出,通过进行地面弹射试验和火箭撬滑轨弹射试验,伞舱盖弹射及减速伞展开得到验证。地面弹射试验证实了伞舱盖弹射拉出降落伞的正确设计。该试验还设置了伞舱盖的负压条件,借此模拟返回器尾流影响,火箭橇弹射和减速伞展开试验则验证了动态条件下的设计正确性。

  而空投试验是回收系统开发过程中最关键的验证项目。由回收系统空投试验中打开的降落伞可见,在真实工作环境中,减速伞和主降落伞能实现完全充气,并保证结构完整。空投试验结果表明,回收系统的设计及工作程序正确,质量稳定可靠,系统性能满足返回器总体要求。

  突破轻型小型化降落伞、综合回收控制等关键技术

  该论文表示,嫦娥五号的回收系统于2017年6月完成产品开发,为参与飞行任务做好充分准备。由于发射计划的延迟,嫦娥五号回收系统需要被存放三年多时间。为确保回收系统在长期存放后仍达到飞行要求,除存放环境、定期检查和测试的考虑,还针对关键产品长期存放后的性能安排了配套的测试组件。结果表明,回收系统在地面存放三年后依能够满足嫦娥五号发射飞行任务要求。

  2014年10月24日-11月1日期间,为了在嫦娥五号执行飞行任务前掌握月地超高速再入技术,中国探月计划第三阶段绕月航天器研制成功,并成功完成试飞任务。2020年12月17日,嫦娥五号返回器携带月球样本在内蒙古自治区着陆场成功回收。执行这两次任务期间,回收系统运行稳定可靠,降落伞打开过程正常,回收指令下达正确,回收和着陆过程中所有动作均执行准确,各项性能指标均达到、甚至超过要求数值。回收系统保障了中国探月工程第三阶段两次飞行任务的成功。

  嫦娥五号任务是中国探月工程“绕、落、回”三步走发展战略的最后一步,是中国第一次开展月球自主采样返回任务,也是迄今为止中国最复杂、最具难度的太空探索任务之一。回收系统对嫦娥五号的关键在于其决定载有月球样本的返回器能否安全着陆。嫦娥五号回收系统解决了轻小型航天器半弹道跳跃式返回和再入过程的诸多问题,比如不确定因素多、技术风险高、结构布局约束严重,产品集成度、轻量化、可靠性要求高等;同时,突破了轻型小型化降落伞、综合回收控制技术等关键技术。嫦娥五号回收系统达到并超过了飞行任务要求,确保了中国首次月球自主采样返回任务的圆满成功。李禾

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