清华航院助力“嫦娥三号”着月成功

 

清华新闻网12月22日电 12月14日晚，我国发射的第一个月球着陆器“嫦娥三号”成功降落在月球上。整个着陆过程平稳，着陆器姿态倾角2度以内，着陆区内地势平缓，这标志着我国航天工程再次取得重大进展，首次实现地外星球软着陆。

　　清华大学航天航空学院承担了多项“嫦娥工程”科研课题，为“嫦娥三号”成功登月作出了贡献。其中，喷雾燃烧与推进实验室的张会强教授、王兵副教授课题组参与了变推力发动机的研制工作；郑钢铁教授课题组研制了检测敏感器所需要的着陆扰振模拟器；任革学教授课题组为某部门探测器着陆阶段的地面飞行模拟系统进行了多体动力学建模和控制仿真。

　　由于月球没有大气，因此在落月过程中全程提供可变的制动力，是实现安全落月的关键。该制动力由7500牛顿变推力下降发动机提供，它是我国航天器上首次使用的大变推比发动机。

　　变推力发动机与我国现有的具有固定构型喷注器的发动机不同，其喷注器采用针栓式结构，在工作时能够调节喷嘴的流通面积，从而实现1500牛顿到7500牛顿大范围推力的连续调节。正是因为研制难度大，承担该型号发动机工程单位，在研制过程中遇到了热防护失效和发动机工作不稳定等技术难题。为了阐明这些技术问题的物理机制，工程单位在国内经过广泛调研与技术蹉商后，最终确立了与清华航院张会强教授、王兵副教授课题组合作，开展变推力发动机燃烧室工作过程的基础研究，并针对变推力发动机研制一款专门的仿真软件，用于揭示推力室内发生的复杂雾化和燃烧过程，指导工程人员的设计。

　　两年来，研究团队与工程单位协同合作，采用边建设、边使用，边仿真、边改进的技术方案，成功实现了复杂针栓式推力室内气液两相湍流燃烧过程的仿真。仿真研究不仅清晰地揭示出推力室内喷雾燃烧过程的特点，而且总结出了发动机推力室的热环境规律，为推力室选型、针栓喷注器燃料和氧化剂匹配和发动机工作参数优化提供了定量依据。仿真软件研制过程中产生的大量数据也帮助工程研制人员深入掌握了变推力发动机工作的物理本质，使改进设计的方案和技术手段有据可依，从而大大降低了研制成本、加快了研制速度。目前，实验室正在开展更大推力和更大变化范围的发动机推力室内的燃烧机理与数值仿真研究工作，为我国未来载人登月计划提供技术储备。

图为着陆扰振模拟器。

　　着陆导航相机和着陆激光测距器（分别由航天502所和504所研制）是实现此次落月的两个关键敏感器。变推力发动机在提供强大推力的同时，也对导航相机和激光测距器产生了较强的扰振。为确定扰振对敏感器的影响，以确定敏感器是否能够正常工作，需要进行地面着落过程扰振影响研究。扰振是角振动，且在下降过程中频率范围很宽，最高频率达到2000Hz，现有设备不能满足模拟整个下降过程中扰振的要求。航院飞行器设计所郑钢铁教授课题组承担了研制着陆扰振模拟器的任务。利用多年积累的振动控制方面的研究成果、解决了众多技术难题，郑钢铁教授课题组经过半年的努力，使用国产控制器和激振器，实现了对5-2000Hz频率范围内角振动的模拟，获得了15%/3σ的角振动控制精度和0.001米/秒的线运动速度控制精度，实现了对整个着陆下降过程扰振的准确模拟，在项目验收评审会上受到了与会专家的高度评价。

　　通过着陆扰振模拟器检验的敏感器在落月过程中表现优异：着陆导航相机发回清晰的图片并成功导引着陆器到一个理想的着陆点，着陆激光测距器准确给出变推力发动机关机的时刻。

图为模拟器工作界面。

　明年是清华航院成立十周年，航院师生将用更多的研究成果助力我国的航空航天事业，在人才培养和学科建设上走出一条产学研紧密结合的特色之路。