澎湃新聞消息，2019年11月3日，中國航天科技集團(tuán)八院抓總研制的長征四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射，將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，實(shí)施了基于柵格舵的一子級落區(qū)控制系統(tǒng)飛行演示驗(yàn)證,技術(shù)演示驗(yàn)證取得圓滿成功，充分驗(yàn)證了柵格舵系統(tǒng)落區(qū)精準(zhǔn)控制能力，達(dá)到了使落區(qū)范圍縮小85%以上的目標(biāo)，這標(biāo)志著運(yùn)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，八院805所運(yùn)載總體室每一位設(shè)計(jì)師都收到了一封落區(qū)控制方案征集的郵件，當(dāng)時(shí)作為空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)的設(shè)計(jì)師陳雪巍，立即聯(lián)想到國際上一系列航天應(yīng)用的創(chuàng)新思路，“那我們是不是可以用柵格舵來實(shí)現(xiàn)落區(qū)精準(zhǔn)控制呢？”就是這樣一個(gè)想法的出現(xiàn)，似點(diǎn)燃了導(dǎo)引線，牽引著柵格舵系統(tǒng)的創(chuàng)新研制之路。在總體室各個(gè)專業(yè)經(jīng)過集中商討后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)把一份清晰的技術(shù)路線報(bào)告拿了出來，技術(shù)方案得到了型號(hào)兩總和部門領(lǐng)導(dǎo)的肯定，并在總體室部門內(nèi)組建一支由總體、氣動(dòng)、載荷、控制、結(jié)構(gòu)、電氣等專業(yè)組成的項(xiàng)目研制團(tuán)隊(duì)，一群有斗爭精神、喜歡搞創(chuàng)新技術(shù)的年輕人一起做“第一個(gè)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(yùn)載火箭的長征四號(hào)乙系列火箭面對高密度發(fā)射任務(wù)，毅然承擔(dān)起此項(xiàng)重任，長征四號(hào)系列火箭型號(hào)兩總對此大力支持，并提出：“柵格舵落區(qū)精準(zhǔn)控制是通往綠色航天的重要一步，我們要根據(jù)‘可靠性高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，不影響主任務(wù)’的工作思路有序推進(jìn)?！痹谇捌谠O(shè)計(jì)階段，為搭載柵格舵系統(tǒng)，火箭的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，型號(hào)兩總召集各專業(yè)技術(shù)人員給予充分的支持。在發(fā)射場測試階段，型號(hào)兩總也積極和發(fā)射場進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通，為柵格舵安裝、測試工作與現(xiàn)有流程并行推進(jìn)創(chuàng)造有利的條件。

要搞清楚柵格舵是否真的可以用來實(shí)現(xiàn)落區(qū)控制，首先就要從最基本的氣動(dòng)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(dòng)特性，又是如何實(shí)現(xiàn)柵格舵落區(qū)控制的呢？就像小鳥或飛機(jī)的滑翔是借助風(fēng)與翅膀在一定角度下產(chǎn)生的推力來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)推力可以控制小鳥或飛機(jī)的行進(jìn)方向。柵格舵的舵面大小、柵格數(shù)量和厚度等都將影響柵格舵的氣動(dòng)特性，靠風(fēng)作用在偏轉(zhuǎn)的舵面上所產(chǎn)生的不同大小和方向的推力，來實(shí)現(xiàn)落區(qū)控制。

為驗(yàn)證柵格舵在箭上的氣動(dòng)特性，805所自籌經(jīng)費(fèi)建立系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室可以利用轉(zhuǎn)臺(tái)模擬火箭姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，利用加載臺(tái)模擬柵格舵受到的氣動(dòng)干擾力矩，一方面能降低項(xiàng)目論證成本，另一方面可以在設(shè)計(jì)前端保證產(chǎn)品的可靠性。在建實(shí)驗(yàn)室期間，姿態(tài)控制專業(yè)主任師李鑫帶著徒弟奔波于各個(gè)外協(xié)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(xié)件多，在各硬件聯(lián)調(diào)階段常出現(xiàn)通訊問題，李鑫為提高效率，在聯(lián)調(diào)前做了分隊(duì)調(diào)試計(jì)劃，合理安排兩兩一組，盡可能減少調(diào)試總時(shí)間。最終在計(jì)劃節(jié)點(diǎn)前完成實(shí)驗(yàn)室的建立，這為本次發(fā)射搭載的柵格舵系統(tǒng)爭取到了半物理實(shí)物仿真的機(jī)會(huì)。

其實(shí)，項(xiàng)目論證初期遠(yuǎn)不止這些個(gè)準(zhǔn)備工作，早在研制團(tuán)隊(duì)成立之初，便按各個(gè)專業(yè)形成小組，分頭并行去外單位進(jìn)行調(diào)研，并定期組織碰頭會(huì)，分享近期調(diào)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(fā)課題的支持。經(jīng)過1年多的深化論證，在2017年研制出了第一個(gè)柵格舵測量系統(tǒng)模塊，并于6月15日搭載長征四號(hào)乙火箭進(jìn)行了飛行試驗(yàn)論證，收集到一系列一子級飛行參數(shù)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供有力的參數(shù)支持。

2019年7月26日11時(shí)57分，長征二號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，我國首次完成了基于柵格舵的火箭殘骸落區(qū)安全控制技術(shù)試驗(yàn)，成為繼美國之后第二個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國家。圖為柵格舵視頻截圖。

四大關(guān)鍵技術(shù)的突破將落區(qū)范圍縮小85%

柵格舵研制團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目研制過程中突破了基于柵格舵的一子級氣動(dòng)特性研究、精確返回控制技術(shù)、熱防護(hù)技術(shù)和低成本獨(dú)立高集成度的電氣綜合系統(tǒng)四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

柵格舵主要是在一子級再入返回段中發(fā)揮作用，需要完成解鎖-展開-控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)等一系列復(fù)雜動(dòng)作，在面對如何可靠實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜功能時(shí)，時(shí)任運(yùn)載火箭總體室主任的吳佳林提出了一個(gè)好的解決方法：“雖然柵格舵所面臨的內(nèi)外部環(huán)境和衛(wèi)星天線、太陽帆板不同，但其展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理上是一致的，我們可以借鑒?！钡\(yùn)載總體室的設(shè)計(jì)師并不清楚如何實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，吳佳林立刻和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)研究室主任協(xié)調(diào)人員加入柵格舵展開機(jī)構(gòu)的研制，無源類展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)師宋佳就是在這時(shí)加入了研制團(tuán)隊(duì)，通過對外部環(huán)境差別的研究，為柵格舵量身定制了一款展開鎖定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)?xùn)鸥穸嬲归_并可靠鎖定，順利通過了常溫/高低溫展開試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、靜力試驗(yàn)等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)考核，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為后續(xù)多次飛行試驗(yàn)的柵格舵展開成功奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

柵格舵另一大技術(shù)難點(diǎn)是熱防護(hù)技術(shù)，在一子級返回飛行的過程中，由于速度高達(dá)2300m/s，導(dǎo)致柵格舵需承受上千度的高溫和數(shù)噸的沖擊力，若防熱措施不到位，將導(dǎo)致柵格舵在高溫下?lián)p毀。由于柵格舵團(tuán)隊(duì)對自身產(chǎn)品的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，瞄著標(biāo)配化方向發(fā)展，輕量化、減少運(yùn)載能力的損失是很重要的一點(diǎn)。為此，選用何種防熱材料、設(shè)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(yōu)。機(jī)械總體設(shè)計(jì)師李瑞鴻為此絞盡腦汁，通過調(diào)研多家材料生產(chǎn)單位，試用多種涂層厚度，排列組合下來也有近十幾次的防熱試驗(yàn)。進(jìn)行防熱試驗(yàn)的場所異常悶熱，李瑞鴻時(shí)感胸口堵塞，卻堅(jiān)持每一次都到現(xiàn)場檢查和協(xié)調(diào)，陪著做完每一次試驗(yàn)?；侍觳回?fù)有心人，多次試驗(yàn)后總算攻克了舵面前緣熱防護(hù)技術(shù)，保證了柵格舵系統(tǒng)成功抵御外界復(fù)雜環(huán)境的影響，圓滿完成試驗(yàn)任務(wù)。

在柵格舵系統(tǒng)上，八院首次采用了將測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)整合成一個(gè)電氣綜合系統(tǒng)的方案，并研制出一款低成本獨(dú)立高集成度的電氣綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)是控制柵格舵的“大腦”，它通過發(fā)送指令指揮舵面偏轉(zhuǎn)，引導(dǎo)一子級箭體向目標(biāo)點(diǎn)飛行，并將飛行信息下傳至地面，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化、拓展應(yīng)用積累數(shù)據(jù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)落區(qū)預(yù)報(bào)的功能?！皟蓚€(gè)原本獨(dú)立的系統(tǒng)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(cuò)等問題。不僅提高了研制效率，還能提升系統(tǒng)可靠性，有望實(shí)現(xiàn)標(biāo)配化發(fā)展。”負(fù)責(zé)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師描述道。

如今，完整的柵格舵系統(tǒng)在經(jīng)過本次搭載長征四號(hào)火箭成功完成飛行試驗(yàn)之后，研制團(tuán)隊(duì)的人員似乎更有底氣了，“我們不僅找到了落區(qū)精準(zhǔn)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(xù)垂直起降重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制攻關(guān)提供了有效的輸入?！?

（澎湃新聞?dòng)浾?南博一 ）