神舟七号与气动技术

时间:2016-06-21

飞船返回舱的返回是从距地面350多公里开始的,到距地面100-80公里时,返回舱进入稠密的大气层。前面说到的过载关、落点关包括火焰关就在眼前,此时考验气动技术的时候到了。所谓气动技术,就是利用空气动力学原理,为飞船返回舱的研制提供各种技术参数。其中,最有代表性的就是利用气动技术为飞船返回舱选定外型。飞船的外型设计可不是光考虑美观那么简单,而是要通过设计出的外型来首先保证飞船所承受的过载、通过的热流等能在安全范围之内。

尽管表面看来,气动技术到飞船返回时才发挥作用,但实际上气动设计一直被称为飞船系统工程中的“先行官”。因为,气动设计技术的首要任务就是确定返回舱的外型,除此之外,许多分系统还要根据气动参数进行设计。飞船从论证到设计研制,各系统基本是在一条起跑线上,大家一起起步的,但气动设计这个“先行官”的角色,决定了气动设计要快,要“跑”起来。实际上也的确如此,1990年12月,当飞船的可行性论证还在进行中时,飞船气动组就成立了。 

气动设计的研制手段是通过风洞试验、数字计算模拟、飞行试验来实现的??悸堑郊际跎系木樯?、时间紧,像飞船外型要求的大功角飞行飞流场结构复杂、机理复杂以及有限的经费,因而飞船的外型采用了类联盟号外型,外型既有俄罗斯联盟号的影子又参考了美国阿波罗飞船的外型特点,选定了倒锥体的大钝头外型。尽管现在大家看到的这个外型像是在“嚼别人嚼过的馍”,但实际上,当初,飞船的气动设计人员手里除了世界上已知的飞船返回舱的照片外,一无所有。因而就是确定了这个外型的大致方案后,气动设计人员还是进行了三类9个外型的预选方案。因为确定返回舱外型的条件相当苛刻,要对外型的每一个尺寸进行优化设计。优化设计时需要考虑到这种外型的周围热流分布是否可减少防热结构的设计难度,还要考虑该外型在飞行时能否保持稳定的平衡状态等等方方面面不下几十项。最终还是得需要关键技术攻关来确定最终外型。攻关的过程是枯燥的,但当最终为飞船选定了外型,看到如脱胎换骨般降生的飞船时,气动设计人员的心情可想而知。当神舟一号飞船成功返回时,气动设计人员又因为这个外型设计捧回了国防科学技术进步二等奖。这时,记者从向记者描述这段过程的飞船气动设计主管方芳的脸上,看到了枯燥和辛苦之后的甘甜。 

确定了返回舱外型之后,下一个任务就是为各个分系统提供气动力和气动热参数。前者是为返回轨道设计、返回导航和控制设计提供参数,后者的数据是为飞船返回舱的防热结构做参谋。 

飞船的气动设计一开始就面临试验设备、技术设备不能满足设计要求的难题。有谁能想到,飞船研制之初,气动设计所需的最重要的试验设备——大型风洞在国内还找不到。在如此艰难的情况下,设计人员从零开始着手开发和研制相应的数值模拟软件,多数试验都是以国内小风洞设备为主进行的。直到飞船的气动设计完成后三年的2001年,一座大型风洞才在四川绵阳建成。 

今天,我们很难想象当初飞船气动设计所需的大部分亚跨音速风洞试验、高跨音速风洞试验等只是在小型风洞完成的。受试验条件的限制,试验模型也是超小型。在进行返回舱局部气动试验时,就遇到了热环境参数的规律相对不好把握的难题。反反复复的试验加在一起达上千小时。无数大量的计算是在701所等单位多方合作下完成的。但是也正因为飞船的气动设计的起点差,逼着设计人员从一开始就“跑”着起步,并在8年的研制历程中一直保持着奔跑的姿势。 

随着他们的“奔跑”,目前,飞船的气动技术和风洞试验设备已相继建立起来,并达到了国际90年代水平。硬件上去了,软件上也没有落后,飞船气动设计软件的计算精度已达到国际先进水平,超过当初俄罗斯联盟号的软件水平,尤其是气动设计软件系统和风洞试验数据库的建立使飞船气动设计达到规范化。他们的领跑还带动了一大批年轻人。在国内一次次大型气动专业研讨会上,气动界的院士、专家不止一次地对神舟飞船气动设计人员竖起大拇指。

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