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成功|航天科技集团长三乙火箭首次成功完成助推器落区控制飞行搭载验证侧记

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“成了！”
6月3日 ， 中国航天科技集团有限公司长征三号乙运载火箭成功发射风云四号B星不久后 ， 又一个好消息让大凉山深处的西昌卫星发射中心再次热闹起来：我国成功实现国际首次火箭助推器落区安全控制飞行验证 。
据悉 ， 在本次长三乙火箭飞行任务中 ， 首次搭载了300平方米可控翼伞 ， 大型翼伞携带助推器按照归航程序操纵控制并安全着陆 ， 标志着我国具备了4吨级载荷的可控回收能力 。
“这也是全球采用翼伞控制圆满归航的最重的火箭分离体 ， 试验获取了落区控制系统的全部飞行数据 ， 为后续伞降落区控制技术工程应用 ， 以及火箭残骸落区安全性的提升提供重要参考 。 ”长三甲系列运载火箭副总设计师胡炜介绍 。
“实质上是一个可控的飞行器”
发射前夕 ， 矗立在塔架上的“金牌火箭”看起来与往常有些许不同 ， 其中一个助推器上多了“两道杠” ， 还顶着一个黄色“小帽子” 。
正是在该助推器上 ， 搭载了由一院总体设计部抓总研制的伞降落区控制系统 。 其中 ， 伞系统由五院508所研制 。
【成功|航天科技集团长三乙火箭首次成功完成助推器落区控制飞行搭载验证侧记】伞降落区控制系统有三级 ， 包括稳定伞、减速伞和翼伞 ， 翼伞是核心 。 前面两级的作用是稳定和减速 ， 为翼伞创造一个比较好的开伞条件 。
“翼伞就像翅膀一样 ， 实质上是一个可控的飞行器 ， 能滑翔和可操控 。 ”508所助推器大型翼伞回收系统项目技术负责人滕海山说 。
据介绍 ， 伞系统也叫翼伞精确回收系统 ， 与神舟飞船、新飞船的回收系统相比 ， 最大的区别在翼伞上 。
任务中 ， 当翼伞打开时 ， 实际上它的工作才开展了一半 ， 最终目标是通过自主归航将助推器等载荷控制到预定的落点 ， 实现精确回收 。
在这次搭载验证中 ， 300平方米的翼伞是目前我国在研最大面积翼伞 ， 重量足足有一百六七十公斤 ， 规范完成了展开、归航、避障3个动作 。 该系列动作也是判断本次飞行验证成功的重要依据 。
要把又大又重的伞装在火箭助推器上的狭小空间内 ， 操作已经不易 ， 更难的是要让它能够顺利展开并进入滑翔状态 。
伞控系统总体设计师张普卓介绍 ， 对于火箭助推器来说 ， 在分离后姿态不稳定的条件下 ， 怎么实现安全结构分离 ， 安全开伞并且打开之后使伞不受破坏 ， 有相当大的难度 。
据了解 ， 展开时要先拉出伞绳 ， 然后再拉出伞衣 。 但翼伞与普通伞的构造不同 ， 翼面为矩形 ， 伞绳长短不一 ， 在展开过程中 ， 弦向（纵向）和展向（横向）两个方向的展开不一定同步 ， 这就必须有一个耦合的过程 ， 需要通过先前反复迭代的模型进行复杂计算 。
避障能力则体现在比较具体的方面 ， 比如一些村落的人口聚集区、水库等 ， 软件上事先设定好这些需要被保护的目标点 ， 在下降过程中能够自动避开 。
本次验证中 ， 2700公里范围内共设置了21个避障区 ，“这次实现得相当完美 ， 离得最近的避障点有10公里~12公里 。 ”滕海山表示 。
在这次长三乙火箭飞行任务中 ， 助推器与芯级分离后 ， 实现了高动态下的卫星导航连续定位 ， 在预定高度执行了各项关键动作 。
最终 ， 在翼伞的作用下 ， 助推器按预定的归航策略向目标机动点飞行 ， 试验获得了圆满成功 。
火箭残骸落点精准控制迫在眉睫
伞降落区控制系统的成功验证 ， 为中国航天创造了又一个“国际首次” ， 是火箭助推器精确回收领域的重要里程碑 ， 也为后续火箭分离体精确回收和可重复使用提供了有力支撑 。
通俗来讲 ， 未来该系统能够让完成发射任务的火箭残骸在可控制的状态下降落 ， 以便于落在更合适的安全区域 ， 尽可能减少对落区的影响 。
火箭残骸落区安全控制是各国进行航天发射时都要面临的问题 。 宇航发射前 ， 一般会确定火箭残骸落区范围 ， 通常选择人口稀少的地区 。 执行发射任务前 ， 有关部门会向航区、落区发布通知 ， 进行人员疏散等准备工作 。
事实上 ， 虽然划定了落区 ， 但这个落区范围较大 ， 涉及的疏散人员比较多 。 火箭发射分离后 ， 鉴于当时的速度位置以及风力等因素 ， 并非完全受控 。
此外 ， 近年来落区周边的人口和设备设施愈发密集 。 在高密度宇航发射的背景下 ， 落区精准控制迫在眉睫 。
据了解 ， 伞降落区控制系统主要针对我国发射频率最高的长三乙火箭助推器落区控制与回收而研制 。
从“十二五”开始 ， 508所先后完成了助推器缩比模型80平方米翼伞的设计和验证 。“十三五”期间进行了全尺寸助推器翼伞回收技术的攻关 ， 历时5年 ， 通过多架次翼伞拖曳试验、高塔投放试验、空投试验等 ， 突破了大型翼伞的气动结构设计、链式收口技术 ， 以及线目标、多目标归航及避障控制等多项关键技术 。
“目前正在研制用于整流罩上的相关产品 ， 下一步要追求的目标就是优化结构 ， 进一步实现减重 。 ”滕海山表示 。
未来 ， 大型翼伞精确回收技术不仅能够实现运载火箭助推器、整流罩的落区控制和回收 ， 还在重型救灾物资空投、舰船补给等方面也有广泛的应用前景 ， 实现更加精准的投放 。
随着技术更加成熟 ， 未来的可重复使用返回式卫星等都可采用翼伞回收系统实现精确回收 。 （郑恩红） 来源：航天科技网站

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