新“座駕”返航

3朵紅白相間的“傘花”在酒泉東風著陸場上空盛放，隨后6個氣囊打開。

5月8日13時49分，我國新一代載人飛船試驗船返回艙穩穩降落在東風著陸場預定區域，新飛船試驗船飛行試驗取得圓滿成功。

在此之前，北京航天飛行控制中心通過地面測控站向試驗船發出返回指令，服務艙與返回艙成功分離。試驗船返回艙制動發動機點火，試驗船返回艙安全著陸。搜救分隊及時發現目標并到達著陸現場開展處置。

自5月5日18時在中國文昌航天發射場發射升空后，試驗船在軌飛行2天19小時，通過7次自主軌控將軌道抬升至遠地點為8000公里左右的大橢圓軌道，制動后以超過9km/s的再入速度返回，為返回艙創造了接近第二宇宙速度返回再入的熱流條件;再入返回階段，試驗船通過新型返回制導策略控制再入飛行過程，以群傘減速、大型氣囊緩沖著陸，在東風著陸場成功回收。

新飛船試驗船的飛行試驗，驗證了高速再入返回防熱、控制和群傘回收等關鍵技術，獲取重要飛行參數，為科學研究和技術改進積累飛行數據。試驗船飛行驗證的成功實施，將為研制我國新一代載人飛船，實現我國載人天地往返運輸技術由跟跑到并跑、領跑的跨越式發展，為我國載人空間站建造運營和載人深空探測奠定更加堅實的基礎，開啟我國載人航天工程新篇章。

在軌開展空間試驗

新一代載人飛船試驗船在軌飛行期間，中國航天科技集團有限公司搭載的兩款科學載荷成功完成了在軌試驗驗證，分別是由五院529廠研制的“復合材料空間3D打印系統”和502所打造的“時間觸發以太網星載原型系統”。此外，還有太空試驗也在此次飛行中進行。

新飛船試驗船返回艙搭載的“復合材料空間3D打印系統”，已自主完成了連續纖維增強復合材料樣件打印，驗證了微重力環境下復合材料3D打印的科學實驗目標。

這次打印的對象有兩個，一個是蜂窩結構（代表航天器輕量化結構），另外一個是航天科技集團CASC標志。

連續纖維增強復合材料是當前國內外航天器結構的主要材料。此次實驗是我國首次“太空3D打印”，也是人類首次“連續纖維增強復合材料太空3D打印”實驗，工作全流程實現無人照料、全程監控、自主控制。

“時間觸發以太網星載原型系統”試驗任務，是指科研人員此次在試驗船上搭建的一個高速局域網，將各個系統聯通起來，依靠這個網絡，未來的航天員將在“太空之家”中享受智能家居一樣的服務。

新一代載人飛船試驗船在軌飛行期間，“時間觸發以太網系統”完成了時鐘同步、多源數據采樣、高清圖像傳輸等功能驗證，實現了系統間數據的高速傳輸。這是我國首次開展該技術的空間試驗，標志著我國在該領域具有了核心技術能力。

試驗船自主控制完成變軌

在軌飛行階段，試驗船返回艙首次采用了國際上推力最大的單組元無毒發動機。該發動機使用的HAN推進劑具有無毒、無污染等優點，后續將全面替代現有推進劑，進一步提高航天員的安全性。

試驗船還首次采用了國內目前空間飛行器用的最大容積表面張力貯箱，貯箱壁與一張A4紙的厚度相近。貯箱裝載了10噸左右推進劑，讓試驗船具備了更大的軌道機動能力，助力試驗船進入遠地點為8000公里的大橢圓軌道，為大再入角高速再入返回創造了充分條件。

兩天7次的自主變軌中，與以往由地面人為控制變軌、進行天地交互和軌道修正的狀態不同，此次7次自主變軌完全依靠試驗船自身來完成。綜合電子系統和GNC系統就像飛船的“大腦”一樣，綜合分析并處理試驗船飛行狀態。綜合電子系統自主生成軌控期間飛行程序，GNC系統自主確定行駛路線并進行導航，還能實時掌握飛船當前的位置和速度，并自主控制軌控發動機開關機，最終到達目標大橢圓軌道。

試驗船底部安裝了6個大型緩沖氣囊。圖片| 中國航天科技集團五院

群傘減速模擬圖。圖片|中國航天科技集團五院

全新鎧甲確保氣動防熱

“如果有機會從太空觀察試驗船返回艙再入返回過程，會發現它是一個一邊燃燒、一邊以10倍于殲-20飛機的速度突飛猛進的‘火球，迫不及待地投向地球的懷抱?！蔽逶杭夹g人員這樣形容。

要知道，試驗船返回艙需要以接近第二宇宙速度再入大氣，氣動力最高值超過70萬牛頓。再入過程中，試驗船與空氣發生劇烈撞擊和摩擦，由此產生極為劇烈的氣動加熱效應，產生的溫度高達上千攝氏度。

對此，五院總體部為其設計了可拆卸式防熱與承載一體化結構。這一副防熱鎧甲，作用至關重要。

據了解，這一新型防熱材料由五院529廠研制，整個防熱結構在重量同比降低超過30%的基礎上，防熱效率比神舟飛船還要高，不僅承受住了再入返回過程中最高2000多攝氏度的高溫燒蝕，守護了返回艙的安全，而且首次采用可拆卸設計。返回后將燒蝕過的防熱結構拆卸，更換一套新的防熱結構，并對返回艙進行一次“體檢”，返回艙就能投入下一次任務。

這種同時具備輕量化、高強度、抗燒蝕等性能的防熱材料，突破了國內三維纖維結構增強抗燒蝕納米材料體系研發技術，開創了大型防熱結構一體化制備技術的應用先河，未來將有力支撐我國多個型號發展。

GNC、群傘與氣囊護送返航

試驗船返回艙的再入過程，就像讓一個已經高速到達山頂的滑雪運動員，沿著陡峭的山坡疾速俯沖，最后以合理的速度準確到達山腳下的終點。

此次滑行可謂危機重重，稍有不慎，要么會偏離指定賽道，要么會偏離終點。這就要求運動員必須準確判斷自己的滑行狀態，推算出后續路線，同時能夠精準控制下滑軌跡。

在試驗船再入過程中擔此重任的，是制導、導航和控制（GNC）系統。

五院502所GNC系統工程師們為試驗船設計了新型預測——校正軌跡控制策略，能夠根據當前飛行狀態，準確判斷與目的地的偏差，以及任務的特殊要求，根據判斷結果調整升力方向并決定后續飛行軌跡，進而精準地控制試驗船完成再入飛行。

如果研究試驗船的軌跡，會發現是一條彎彎曲曲的“蛇形”，這就是GNC系統指引它走出的平安回家之路。

據了解，新飛船試驗船返回艙比神舟飛船重一倍多，所需傘面面積更大。重新進入大氣層后，需要更為強勁的減速動力和平緩的載荷控制。但如果是單具傘，面積就要將近2000平方米，但是如此大面積對加工、折疊包裝帶來困難，從技術和經濟方面都不是最合適的選擇，綜合考慮下，設計人員選擇了群傘的方案。

新一代載人飛船試驗船。圖片|中國航天科技集團五院

為此五院508所科技團隊設計了3具與神舟飛船降落傘面積相當的降落傘，組成群傘系統完成空中減速。這3具降落傘不是簡單的組合，它們既能齊心協力、相互扶持，又能和睦相處、互不干擾。

借助群傘系統，不僅可以使超高速飛行的返回艙在極短時間里減到市區里汽車的行駛速度，還能確保將來航天員乘坐飛船返回時，過載和姿態旋轉感受良好。

借助群傘系統，不僅可以使超高速飛行的返回艙在極短時間里減到市區里汽車的行駛速度，還能確保將來航天員乘坐飛船返回時，過載和姿態旋轉感受良好。

返回艙落地時，當然不能硬邦邦地砸下來。試驗船底部安裝了6個氣囊，落地之前，6個氣囊順利充氣打開，首次新型減速緩沖方案幫助艙體平穩“軟著陸”，最大程度保證了返回艙的安全、完整回收。

為了適應試驗船的大重量，五院508所設計了大型緩沖氣囊，每個氣囊充滿氣后相當于卡車輪胎大小，針對不同著陸情況，這6個“輪胎”會先后排氣，確保返回艙平穩落地。

為了保證氣囊在發射時處于穩定牢靠的折疊包裝狀態，在需要充氣展開工作時又能夠迅速順暢打開，設計師研究出一種鏈式封包的固定和解除技術，并開展大量地面充氣展開試驗、風洞試驗、真空環境試驗，成功解決了難題。

雙重保障確保快速搜救

返回艙回到地面后，能否快速找到它，直接決定著整個任務的成敗。試驗船采用了兩項黑科技，能確保返回艙準確定位。

五院西安分院研制的GNSS天線網絡，是幫助返回艙與地面取得聯系的關鍵設備。返回艙的降落地點、搜救信號等都要通過該天線網絡發送出去，可以說，它是返回艙隨身攜帶的“救生電話”。

由于返回艙在重返地球的過程中，經歷的環境極其惡劣和復雜，實際落地位置可能超出預定搜索范圍，甚至落在海上。如果出現這種情況，五院510所研制的國際救援示位標將發揮作用。該設備發射的無線電信標信號，能夠被全球海事衛星搜救系統識別，從而讓搜救人員快速找到返回艙。

此次飛行另一主要任務是獲取在軌數據，為未來研制提供科學支撐。設計人員為試驗船量身定制在軌數據獲取系統，該系統通過測量返回艙大底和側壁表面特征點的壓力和溫度，獲取了返回艙高速再入過程的氣動力和熱特性參數;通過多種傳感器網絡，獲取了船箭分離沖擊載荷，以及運載發射、在軌飛行和返回著陸過程的載荷環境。而這些寶貴數據都保存在試驗船的“黑匣子”中，為新一代載人飛船的研制優化提供重要參考。

◎ 來源|綜合中國航天報、科技日報