年5月15日
我国首次火星探测任务
天问一号探测器在火星
乌托邦平原南部预选着陆区着陆
还记得那个激动人心的时刻吗?
其实天问一号落火过程中
有一个步步惊心的“恐怖9分钟”
全靠一个“神器”保护
祝融号火星车才能安然着陆
这个“神器”长什么样?
它有哪些独特的本领?
航天科技集团五院所总工程师
回收着陆领域专家黄伟
近日接受深圳特区报记者专访
为我们详解其中奥秘
“如果能够顺利打开降落伞,火星着陆就成功了90%。”国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言曾这样说。
正是因为有了降落伞的保护,祝融号火星车得以平安度过着陆过程中步步惊心的“恐怖9分钟”,闲庭信步于乌托邦平原。
“中国智慧”伞中“藏”
“天问一号的降落伞
我们叫锯齿形盘缝带伞,
它对中国航天来讲是一个全新的伞。”
空投试验中的火星降落伞
黄伟介绍,着陆火星,我国要首次在超声速、低密度、低动压的条件下开伞,以往航天器的降落伞不适合在火星使用,要么是不能在超声速下完成对降落伞的稳定充气,要么是不能满足低密度低动压条件下的稳定性需求。
中间为航天科技集团五院所总工程师、回收着陆领域专家黄伟
伞型的选择是研制过程的起点,设计师们从缩比小伞着手设计了覆盖环帆伞、平面圆形伞、十字伞、锥形带条伞和盘缝带伞等多种伞型。车间加工完成后进行高塔投放试验和风洞试验,经过反复地比较和分析论证,“充分借鉴我国探空火箭回收时开展过的盘缝带伞设计,包括借鉴国外的火星探测器降落伞,最终选择盘缝带伞这一伞型。”他说。
在借鉴的基础上,研究团队在常规伞型基础上进行了结构改进,关键技术上进行了创新,使降落伞载荷分布更加合理。最终使用的红白相间、颜色亮丽的锯齿形盘缝带伞,每一处细节都精心设计,体现着“中国智慧”。
“它主要由三个部分构成,上部展开来看是一个圆盘。在圆盘的下面其实是一个缝,是空的,这样在降落伞充气的时候,有些气流就可以从缝中通过,把伞衣包裹在气流中,有利于伞的稳定。在缝下面是一个相对比较窄的带条,我们把带条的尾部做成了三角幅的形式,类似于锯齿,有利于承力和确保稳定性。这样就组成了锯齿形盘缝带伞。”
“这次降落伞的任务指标是把‘天问一号’从两马赫的超音速减速到95米/秒。”黄伟透露,作为最重要的减速装置之一,“天问一号”降落伞使命艰巨。
插接工艺是新亮点
面对恶劣的火星环境,“天问一号”降落伞在材料选择和加工环节均进行了改进。黄伟说:
“伞衣主体我们还是选择用锦丝绸,它的特点是重量轻、强度大。神舟飞船、嫦娥五号降落伞都是使用这种材料。但火星降落伞面积较大,而且是一次性充气开伞,载荷较大。为保证降落伞的强度性能,我们在局部加强环节用了新的芳纶III材料。”
空投试验收伞
据悉,被工程界誉为“纤维之王”的新材料,是国内企业历时10余年研发的,具有超高强/高模、高韧性、耐高低温、优异电绝缘性、耐辐照、抗腐蚀、耐疲劳、高阻燃性等特点。
黄伟介绍说,连接环节是非常关键的结构部位,虽然火星大气密度底,但对降落伞强度要求高,同时对降落伞重量约束又较大,为此团队对降落伞伞绳的连接方式进行了创新。
“
伞绳连接我们不再通过缝纫穿针引线,而是直接把材料本体插接在一起,这样就提高了连接的强度。因为缝纫连接部位的强度肯定会比伞绳本体的强度要低。我们这次采用插接的形式,大量的静载试验、动载试验和风洞试验也证明,连接部位的强度和本体的强度基本上一致,几乎没有损耗。降落伞伞绳的插接工艺是这次火星降落伞的亮点,也是一个创新点。
热气球动压开伞试验
弹伞筒里乾坤大
“天问一号”降落伞长34米,展开面积平方米,体积60升,重达40公斤。这个“大块头”工作时需要靠航天火工装置把伞包弹射出去,然后直接拉直,一次性充气张开。为了适应本次任务,研制团队还给伞包匹配了国内最大的航天器火工装置——弹伞筒。
火星弹伞筒体积约60升,比车载单门冰箱高一些,它看起来不很起眼,就像是个普通的铝合金桶,但其中门道很多,开伞工作全靠它。
“开伞过程很巧妙。‘天问一号’距离火星表面约11公里时,着陆巡视器发出弹伞指令,弹伞筒内的火药点燃,火药产生高压燃气,推动筒内的活塞以每秒35米的速度向外推降落伞的伞包,冲开尾部的伞舱盖飞出弹伞筒。随着伞包与着陆巡视器的分离,降落伞从伞包中以倒拉的方式逐步受控拉直,并充气张满。”
黄伟介绍说,“降落伞冲破筒盖(伞舱盖)弹出后,为了防止筒盖跌落砸到主降落伞,特意给筒盖配了一顶小伞,主要目的是给筒盖减速。”黄伟说。筒盖减速伞比主伞小很多,展开面积只有0.6平方米。
把降落伞装进“冰箱”也是个技术含量很高的活计——包伞。黄伟介绍,包伞流程有几十道工序,每一步都有工艺要求,每个关键工序都要留有影像。每一步过程都影响着伞怎样装进“冰箱”。“我们用了大约3天才完成包伞,最多时20多人同时工作,最终把伞装进弹伞筒。”
征途漫漫惟有创新
“在飞控中心等待落火的时候我还是挺紧张的,我还跟同事说,这是我工作以来,执行任务时第二次心情这么紧张(第一次是刚工作时参加返回式卫星的飞控)。火星距离地球太远了,通讯会近20分钟的延迟。看着屏幕,到开伞时间了,知道结果已经发生,但又不知道结果究竟是怎样,那种紧张焦虑的心情真是煎熬。只能焦急地等待遥测数据的回传。随着数据包的回传,心情也起起落落。”回想当时情景,黄伟欣慰地笑了。
圆满完成任务的降落伞、弹伞筒、背罩等都将长留在火星上。黄伟介绍说,这次“天问一号”成功落火,充分验证了火星降落伞的可靠性,我国未来的深空探测项目,如火星取样返回以及未来的行星探测,可以应用这次火星降落伞的技术。同时,为火星降落伞研发的新材料、新工艺、新结构技术,也将推广应用在其他各种用途的降落伞上。
“任何深空探测任务,都必须保证万无一失,每次我们都如履薄冰,尽百分百的努力,保证足够的可靠性和安全性。”从神舟到嫦娥,黄伟执行了多次航天任务,“最难忘的还是第一次负责实施神舟五号返回舱着陆冲击试验。”黄伟说。
“当时神舟五号返回舱8月底就要确定最终的技术状态,7月我们还在做一些补充性试验,时间上特别紧张,为保证载人飞船百分百安全,必须进行充分验证。炎炎夏日,所有人都挥汗如雨、毫无怨言地奋战在工作一线,这让刚参加工作不久的我觉得加入这个集体特别光荣!”
团队与火星降落伞合影
如今,中国航天人自主创新、攻克难关,成为了继美国、俄罗斯后第三个独立自主掌握航天器返回技术的国家。对此,黄伟深有感触地说,关键技术还得靠自己,不能被“卡脖子”。
“在航天领域,还要自己掌握核心关键技术,独立自主发展我国航天事业。老一辈航天人在一无所有的条件下开创了中国的航天事业,我们这一代更要传承老一辈航天人的精神,为建设航天强国作出自己的贡献。”
原标题:《解密!让天问一号安然落火的“神器”长这样》