清華航院助力“嫦娥三號(hào)”著月成功
清華新聞網(wǎng)12月22日電 12月14日晚，我國(guó)發(fā)射的第一個(gè)月球著陸器“嫦娥三號(hào)”成功降落在月球上。整個(gè)著陸過(guò)程平穩(wěn)，著陸器姿態(tài)傾角2度以內(nèi)，著陸區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩，這標(biāo)志著我國(guó)航天工程再次取得重大進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)地外星球軟著陸。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院承擔(dān)了多項(xiàng)“嫦娥工程”科研課題，為“嫦娥三號(hào)”成功登月作出了貢獻(xiàn)。其中，噴霧燃燒與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的張會(huì)強(qiáng)教授、王兵副教授課題組參與了變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作；鄭鋼鐵教授課題組研制了檢測(cè)敏感器所需要的著陸擾振模擬器；任革學(xué)教授課題組為某部門(mén)探測(cè)器著陸階段的地面飛行模擬系統(tǒng)進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)建模和控制仿真。
由于月球沒(méi)有大氣，因此在落月過(guò)程中全程提供可變的制動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)安全落月的關(guān)鍵。該制動(dòng)力由7500牛頓變推力下降發(fā)動(dòng)機(jī)提供，它是我國(guó)航天器上首次使用的大變推比發(fā)動(dòng)機(jī)。
變推力發(fā)動(dòng)機(jī)與我國(guó)現(xiàn)有的具有固定構(gòu)型噴注器的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，其噴注器采用針?biāo)ㄊ浇Y(jié)構(gòu)，在工作時(shí)能夠調(diào)節(jié)噴嘴的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)1500牛頓到7500牛頓大范圍推力的連續(xù)調(diào)節(jié)。正是因?yàn)檠兄齐y度大，承擔(dān)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)工程單位，在研制過(guò)程中遇到了熱防護(hù)失效和發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定等技術(shù)難題。為了闡明這些技術(shù)問(wèn)題的物理機(jī)制，工程單位在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研與技術(shù)蹉商后，最終確立了與清華航院張會(huì)強(qiáng)教授、王兵副教授課題組合作，開(kāi)展變推力發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作過(guò)程的基礎(chǔ)研究，并針對(duì)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)研制一款專門(mén)的仿真軟件，用于揭示推力室內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜霧化和燃燒過(guò)程，指導(dǎo)工程人員的設(shè)計(jì)。
兩年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)與工程單位協(xié)同合作，采用邊建設(shè)、邊使用，邊仿真、邊改進(jìn)的技術(shù)方案，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜針?biāo)ㄊ酵屏κ覂?nèi)氣液兩相湍流燃燒過(guò)程的仿真。仿真研究不僅清晰地揭示出推力室內(nèi)噴霧燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，而且總結(jié)出了發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的熱環(huán)境規(guī)律，為推力室選型、針?biāo)▏娮⑵魅剂虾脱趸瘎┢ヅ浜桶l(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化提供了定量依據(jù)。仿真軟件研制過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)也幫助工程研制人員深入掌握了變推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作的物理本質(zhì)，使改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案和技術(shù)手段有據(jù)可依，從而大大降低了研制成本、加快了研制速度。目前，實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展更大推力和更大變化范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)推力室內(nèi)的燃燒機(jī)理與數(shù)值仿真研究工作，為我國(guó)未來(lái)載人登月計(jì)劃提供技術(shù)儲(chǔ)備。
圖為著陸擾振模擬器。
著陸導(dǎo)航相機(jī)和著陸激光測(cè)距器（分別由航天502所和504所研制）是實(shí)現(xiàn)此次落月的兩個(gè)關(guān)鍵敏感器。變推力發(fā)動(dòng)機(jī)在提供強(qiáng)大推力的同時(shí)，也對(duì)導(dǎo)航相機(jī)和激光測(cè)距器產(chǎn)生了較強(qiáng)的擾振。為確定擾振對(duì)敏感器的影響，以確定敏感器是否能夠正常工作，需要進(jìn)行地面著落過(guò)程擾振影響研究。擾振是角振動(dòng)，且在下降過(guò)程中頻率范圍很寬，最高頻率達(dá)到2000Hz，現(xiàn)有設(shè)備不能滿足模擬整個(gè)下降過(guò)程中擾振的要求。航院飛行器設(shè)計(jì)所鄭鋼鐵教授課題組承擔(dān)了研制著陸擾振模擬器的任務(wù)。利用多年積累的振動(dòng)控制方面的研究成果、解決了眾多技術(shù)難題，鄭鋼鐵教授課題組經(jīng)過(guò)半年的努力，使用國(guó)產(chǎn)控制器和激振器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)5-2000Hz頻率范圍內(nèi)角振動(dòng)的模擬，獲得了15%/3σ的角振動(dòng)控制精度和0.001米/秒的線運(yùn)動(dòng)速度控制精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)著陸下降過(guò)程擾振的準(zhǔn)確模擬，在項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)審會(huì)上受到了與會(huì)專家的高度評(píng)價(jià)。
通過(guò)著陸擾振模擬器檢驗(yàn)的敏感器在落月過(guò)程中表現(xiàn)優(yōu)異：著陸導(dǎo)航相機(jī)發(fā)回清晰的圖片并成功導(dǎo)引著陸器到一個(gè)理想的著陸點(diǎn)，著陸激光測(cè)距器準(zhǔn)確給出變推力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的時(shí)刻。
圖為模擬器工作界面。
明年是清華航院成立十周年，航院師生將用更多的研究成果助力我國(guó)的航空航天事業(yè)，在人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)上走出一條產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的特色之路。
供稿：航天航空學(xué)院 編輯：范 麗
