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精准着陆!新时代“神舟”GNC系统不负众望

时间:2023年06月05日 信息来源:本站原创 点击:985 字体:

2023年6月4日,伴着地球崭新一天似火的朝阳,经历了太空中电光火石洗礼的神舟十五号载人飞船返回舱,在由航天科技集团五院研制的GNC系统驾驭下,飘然归来,成功着陆在预定着陆区。

 

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▲ 着陆现场

 

这不仅标志着我国首批批产神舟载人飞船圆满完成各项既定任务,也标志着自神舟十二号载人飞船起,全面升级的以自主快速交会对接、自主自适应预测再入返回制导为特征的制导导航与控制系统(GNC系统)实现更新换代,且经过4次飞行任务各种工况的全面历练,得到完整验证。

 

GNC系统是神舟载人飞船的核心分系统,是体现飞船科技水平的重要标志。由五院抓总研制的神舟十二号到神舟十五号载人飞船是我国首次以批产形式生产的载人飞船,4艘飞船状态一致、同步投产,其中GNC系统也保持了相同的技术状态,和之前的11艘神舟飞船相比,该批次飞船GNC系统实现了全面升级。

 

从发射时的应急救生,到太空中的姿态和轨道控制;从太阳帆板的对日定向控制,到被誉为“万里穿针”的空间交会对接;再从绕飞到关乎航天员生命安全的返回再入……神舟载人飞船整个飞行周期内,GNC系统都在幕后默默为飞船的稳定运行保驾护航。中国迄今发射的16艘神舟载人飞船和6艘天舟货运飞船的GNC系统均由航天科技集团五院(以下简称五院)502所研制。

 

新一代技术支撑飞船高精度返回


“载人航天,人命关天”,返回再入是载人航天的一项基本技术,也是建设空间站的关键和必备技术。我国的飞船返回再入GNC技术经历了两代,第一代应用于从神舟一号到神舟十一号的11艘飞船上。神舟十二号到神舟十五号这一批次4艘神舟飞船采用的第二代返回再入技术,使整个返回过程可以实现高精度自主导航,所以此次升级是跨代升级。

 

“采用二代返回技术后的最差开伞点精度比一代最好的都好!”据五院载人航天工程载人飞船系统副总设计师、502所天地安全返回领域首席专家胡军介绍:“如果采用一代技术,当出现大范围的轨道条件变化时就需要地面上的人工干预,采用二代技术则GNC系统可以自主适应。此外,二代技术还可以适应更宽的在轨、离轨偏差,对气动特性、质量特性等再入条件的鲁棒性更强,新的制导策略使制导过程姿态控制曲线更加平稳,过载和推进剂决策约束更宽。”

 

如果说这些说法比较晦涩难懂,那么开伞点精度的概念则通俗很多,采用二代技术的4艘飞船在开伞点精度方面实现了一个数量级的提升,可谓做到“指哪儿打哪儿”。

 

不过,神舟十二号并不是第二代返回技术的首秀,该技术此前已经在我国嫦娥五号试验飞行器、新一代载人飞船试验船、嫦娥五号等型号中得到了验证。4艘神舟飞船连续的“落点精准”,在证明了该方法的科学性、稳定性、先进性和强适应性的同时,也推动了空间站关键技术验证和建造阶段既定任务的圆满完成。

 

 交会对接技术实现多方面突破


空间交会对接GNC技术也是载人航天的三大基本技术之一。神舟十二号到神舟十五号这一批次载人飞船交会对接GNC系统的全面升级,主要就是实现了由慢速交会对接到快速交会对接、由面对单舱到面对多舱、由单对接口到多对接口多个方面的突破。“中国的交会对接技术体现着中国智慧、中国力量!”五院502所交会对接领域首席专家解永春感慨地说。

 

首先是由慢到快。我国在首批批产飞船中引入了天舟货运飞船配备的快速交会对接模式。据悉,根据任务要求的快速交会对接小于6.5小时的功能要求,研制团队结合近距离交会对接的时间设定,就远距离自主交会设计了多套全自主方案。飞船入轨后,GNC系统不用接收地面的任何注入和指令,便可以全自主控制飞船与空间站进行交会对接。

 

其次是由单到多。针对由单舱到多舱,以及后向对接口有货运飞船停泊时对后向合作目标的遮挡等约束,“升级版”神舟载人飞船在近距离交会方案上对原有设计状态和飞行模式进行改造,对交会对接走廊进行了新的调整,增加了新的飞行工况——直接交会方案。相对停泊点交会方案,直接交会方案用时更短,消耗推进剂更少。

 

针对单对接口到多对接口,“升级版”神舟载人飞船增加了径向交会对接功能。为确保径向交会对接任务的万无一失,研制团队奋斗数年,攻克了系列关键技术,开展了大量地面试验,并在神舟十三号正式实施首次径向交会对接任务前,在神舟十二号返回地球前开展了与空间站径向端口的交会试验,为后续径向交会验证了关键技术,为神舟十五号实现完整“T”字构型下的前向交会对接,神舟十六号实现空间站应用与发展阶段首次完整“T”字构型下的径向交会对接积累了数据和经验。

 

首批次批产神舟飞船飞行任务的圆满成功,进一步把我国的交会对接技术推向成熟。后续,作为常规交会对接方式,径向交会和前向交会在未来任务中会按需选用。

 

神舟十二号到神舟十五号载人飞船GNC系统的完美运行是中国力量新的见证,核心技术的进步也为推动航天强国建设提供了新的支撑。面对新征程新使命,五院将融入时代洪流,勇担光荣使命,努力在推动高水平科技自立自强中再攀科技高峰。



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