中新網(wǎng)10月16日電 題：氣動(dòng)技術(shù)關(guān)-“先行官”跑著選外型
——中國神舟神箭研制的12大攻關(guān)奇跡之十
作者：劉思燕
飛船返回艙的返回是從距地面350多公里開始的，到距地面100~80公里時(shí)，返回艙進(jìn)入稠密的大氣層。前面說到的過載關(guān)、落點(diǎn)關(guān)包括火焰關(guān)就在眼前，此時(shí)考驗(yàn)氣動(dòng)技術(shù)的時(shí)候到了。所謂氣動(dòng)技術(shù)，就是利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，為飛船返回艙的研制提供各種技術(shù)參數(shù)。其中，最有代表性的就是利用氣動(dòng)技術(shù)為飛船返回艙選定外型。飛船的外型設(shè)計(jì)可不是光考慮美觀那么簡(jiǎn)單，而是要通過設(shè)計(jì)出的外型來首先保證飛船所承受的過載、通過的熱流等能在安全范圍之內(nèi)。
盡管表面看來，氣動(dòng)技術(shù)到飛船返回時(shí)才發(fā)揮作用，但實(shí)際上氣動(dòng)設(shè)計(jì)一直被稱為飛船系統(tǒng)工程中的“先行官”。因?yàn)椋瑲鈩?dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的首要任務(wù)就是確定返回艙的外型，除此之外，許多分系統(tǒng)還要根據(jù)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。飛船從論證到設(shè)計(jì)研制，各系統(tǒng)基本是在一條起跑線上，大家一起起步的，但氣動(dòng)設(shè)計(jì)這個(gè)“先行官”的角色，決定了氣動(dòng)設(shè)計(jì)要快，要“跑”起來。實(shí)際上也的確如此，1990年12月，當(dāng)飛船的可行性論證還在進(jìn)行中時(shí)，飛船氣動(dòng)組就成立了。
氣動(dòng)設(shè)計(jì)的研制手段是通過風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)字計(jì)算模擬、飛行試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的�？紤]到技術(shù)上的經(jīng)驗(yàn)少、時(shí)間緊，像飛船外型要求的大功角飛行飛流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)理復(fù)雜以及有限的經(jīng)費(fèi)，因而飛船的外型采用了類聯(lián)盟號(hào)外型，外型既有俄羅斯聯(lián)盟號(hào)的影子又參考了美國阿波羅飛船的外型特點(diǎn)，選定了倒錐體的大鈍頭外型。盡管現(xiàn)在大家看到的這個(gè)外型像是在“嚼別人嚼過的饃”，但實(shí)際上，當(dāng)初，飛船的氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員手里除了世界上已知的飛船返回艙的照片外，一無所有。因而就是確定了這個(gè)外型的大致方案后，氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員還是進(jìn)行了三類9個(gè)外型的預(yù)選方案。
因?yàn)榇_定返回艙外型的條件相當(dāng)苛刻，要對(duì)外型的每一個(gè)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到這種外型的周圍熱流分布是否可減少防熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，還要考慮該外型在飛行時(shí)能否保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)等等方方面面不下幾十項(xiàng)。最終還是得需要關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)來確定最終外型。攻關(guān)的過程是枯燥的，但當(dāng)最終為飛船選定了外型，看到如脫胎換骨般降生的飛船時(shí)，氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員的心情可想而知。當(dāng)神舟一號(hào)飛船成功返回時(shí)，氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員又因?yàn)檫@個(gè)外型設(shè)計(jì)捧回了國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這時(shí)，記者從向記者描述這段過程的飛船氣動(dòng)設(shè)計(jì)主管方芳的臉上，看到了枯燥和辛苦之后的甘甜。
確定了返回艙外型之后，下一個(gè)任務(wù)就是為各個(gè)分系統(tǒng)提供氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱參數(shù)。前者是為返回軌道設(shè)計(jì)、返回導(dǎo)航和控制設(shè)計(jì)提供參數(shù)，后者的數(shù)據(jù)是為飛船返回艙的防熱結(jié)構(gòu)做參謀。
飛船的氣動(dòng)設(shè)計(jì)一開始就面臨試驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)設(shè)備不能滿足設(shè)計(jì)要求的難題。有誰能想到，飛船研制之初，氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的最重要的試驗(yàn)設(shè)備--大型風(fēng)洞在國內(nèi)還找不到。在如此艱難的情況下，設(shè)計(jì)人員從零開始著手開發(fā)和研制相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件，多數(shù)試驗(yàn)都是以國內(nèi)小風(fēng)洞設(shè)備為主進(jìn)行的。直到飛船的氣動(dòng)設(shè)計(jì)完成后三年的2001年，一座大型風(fēng)洞才在四川綿陽建成。
今天，我們很難想象當(dāng)初飛船氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的大部分亞跨音速風(fēng)洞試驗(yàn)、高跨音速風(fēng)洞試驗(yàn)等只是在小型風(fēng)洞完成的。受試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩浅⌒�。在進(jìn)行返回艙局部氣動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，就遇到了熱環(huán)境參數(shù)的規(guī)律相對(duì)不好把握的難題。反反復(fù)復(fù)的試驗(yàn)加在一起達(dá)上千小時(shí)。無數(shù)大量的計(jì)算是在701所等單位多方合作下完成的。但是也正因?yàn)轱w船的氣動(dòng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)差，逼著設(shè)計(jì)人員從一開始就“跑”著起步，并在8年的研制歷程中一直保持著奔跑的姿勢(shì)。隨著他們的“奔跑”，目前，飛船的氣動(dòng)技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備已相繼建立起來，并達(dá)到了國際90年代水平。硬件上去了，軟件上也沒有落后，飛船氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算精度已達(dá)到國際先進(jìn)水平，超過當(dāng)初俄羅斯聯(lián)盟號(hào)的軟件水平，尤其是氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建立使飛船氣動(dòng)設(shè)計(jì)達(dá)到規(guī)范化。
他們的領(lǐng)跑還帶動(dòng)了一大批年輕人。在國內(nèi)一次次大型氣動(dòng)專業(yè)研討會(huì)上，氣動(dòng)界的院士、專家不止一次地對(duì)神舟飛船氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員豎起大拇指。
