2019年11月3日,，長征四號乙運載火箭成功發(fā)射,，將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這發(fā)任務(wù)有一個特別之處，那便是實施了基于柵格舵的一子級落區(qū)控制系統(tǒng)飛行演示驗證，技術(shù)演示驗證取得圓滿成功,，充分驗證了柵格舵系統(tǒng)落區(qū)精準(zhǔn)控制能力，這標(biāo)志著運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,，805所運載總體室每一位設(shè)計師都收到了一封落區(qū)控制方案征集的郵件，當(dāng)時作為空氣動力學(xué)專業(yè)的設(shè)計師陳雪巍,，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現(xiàn)落區(qū)精準(zhǔn)控制呢？”就是這樣一個想法的出現(xiàn),，點燃了導(dǎo)引線，牽引著柵格舵系統(tǒng)的創(chuàng)新研制之路,。在經(jīng)過總體室各個專業(yè)集中商討后,，項目團隊把一份清晰的技術(shù)路線報告拿了出來,，技術(shù)方案得到了型號兩總和部門領(lǐng)導(dǎo)的肯定，并在總體室部門內(nèi)組建一支由總體,、氣動,、載荷、控制,、結(jié)構(gòu),、電氣等專業(yè)組成的項目研制團隊，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載火箭的長征四號乙系列火箭面對高密度發(fā)射任務(wù),，毅然承擔(dān)起此項重任,，長征四號系列火箭型號兩總對此大力支持，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)濟性優(yōu)，不影響主任務(wù)’的工作思路有序推進,?！痹谇捌谠O(shè)計階段，為搭載柵格舵系統(tǒng),，火箭的總體設(shè)計要進行相應(yīng)的調(diào)整,，型號兩總召集各專業(yè)技術(shù)人員給予充分的支持。在發(fā)射場測試階段,，型號兩總也積極和發(fā)射場進行協(xié)調(diào)溝通,，為柵格舵安裝、測試工作與現(xiàn)有流程并行推進創(chuàng)造有利的條件,。
要搞清楚柵格舵是否真的可以用來實現(xiàn)落區(qū)控制,，首先就要從最基本的氣動特性開始研究，這是第一步,，也是最重要的一步,。
那么，什么是氣動特性,，又是如何實現(xiàn)柵格舵落區(qū)控制的呢,？
就像小鳥或飛機的滑翔是借助風(fēng)與翅膀在一定角度下產(chǎn)生的推力來實現(xiàn)的一樣，這個推力可以控制小鳥或飛機的行進方向,。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，來實現(xiàn)落區(qū)控制,。
為驗證柵格舵在箭上的氣動特性,，805所自籌經(jīng)費建立系統(tǒng)仿真實驗室。該實驗室可以利用轉(zhuǎn)臺模擬火箭姿態(tài)運動,，利用加載臺模擬柵格舵受到的氣動干擾力矩,，一方面能降低項目論證成本，另一方面可以在設(shè)計前端保證產(chǎn)品的可靠性,。在建實驗室期間,，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)前做了分隊調(diào)試計劃，合理安排兩兩一組,，盡可能減少調(diào)試總時間,。最終在計劃節(jié)點前完成實驗室的建立，這為本次發(fā)射搭載的柵格舵系統(tǒng)爭取到了半物理實物仿真的機會,。
其實,，項目論證初期遠(yuǎn)不止這些個準(zhǔn)備工作，早在研制團隊成立之初,，便按各個專業(yè)形成小組,，分頭并行去外單位進行調(diào)研，并定期組織碰頭會,，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年研制出了第一個柵格舵測量系統(tǒng)模塊,，并于6月15日搭載長征四號乙火箭進行了飛行試驗論證,，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,、測量系統(tǒng)設(shè)計,、控制系統(tǒng)設(shè)計等提供有力的參數(shù)支持。
四大關(guān)鍵技術(shù)的突破將落區(qū)范圍縮小85%
柵格舵研制團隊在項目研制過程中突破了基于柵格舵的一子級氣動特性研究,、精確返回控制技術(shù),、熱防護技術(shù)和低成本獨立高集成度的電氣綜合系統(tǒng)四項關(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)動等一系列復(fù)雜動作,，在面對如何可靠實現(xiàn)這些復(fù)雜功能時,，時任運載火箭總體室主任的吳佳林總工程師提出了一個好的解決方法：“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,，但其展開機構(gòu)的設(shè)計原理上是一致的，我們可以借鑒,?！钡\載總體室的設(shè)計師并不清楚如何實現(xiàn)這項技術(shù)，吳佳林立刻和結(jié)構(gòu)機構(gòu)研究室主任協(xié)調(diào)人員加入柵格舵展開機構(gòu)的研制,，無源類展開機構(gòu)設(shè)計師宋佳就是在這時加入了研制團隊,，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構(gòu),，實現(xiàn)了驅(qū)動?xùn)鸥穸嬲归_并可靠鎖定,，順利通過了常溫/高低溫展開試驗、振動試驗,、靜力試驗等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗考核,，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為后續(xù)多次飛行試驗的柵格舵展開成功奠定堅實的基礎(chǔ),。
柵格舵另一大技術(shù)難點是熱防護技術(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,。由于柵格舵團隊對自身產(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,、減少運載能力的損失是很重要的一點。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)。機械總體設(shè)計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，排列組合下來也有十幾次的防熱試驗,。進行防熱試驗的場所異常悶熱,，李瑞鴻時感胸口堵塞，卻堅持每一次都到現(xiàn)場檢查和協(xié)調(diào)，陪著做完每一次試驗,?；侍觳回?fù)有心人，多次試驗后總算攻克了舵面前緣熱防護技術(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,，圓滿完成試驗任務(wù)。
在柵格舵系統(tǒng)上,，我們首次采用了將測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)整合成一個電氣綜合系統(tǒng)的方案,，并研制出一款低成本獨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)，同時也實現(xiàn)落區(qū)預(yù)報的功能,?！皟蓚€原本獨立的系統(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，有望實現(xiàn)標(biāo)配化發(fā)展,?！必?fù)責(zé)電氣系統(tǒng)的設(shè)計師描述道。
如今,，完整的柵格舵系統(tǒng)在經(jīng)過本次搭載長征四號乙火箭成功完成飛行試驗之后,，研制團隊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)使用運載火箭的研制攻關(guān)提供了有效的輸入?！?/p>