中新網(wǎng)10月16日電 題：氣動技術(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，返回艙進入稠密的大氣層。前面說到的過載關(guān)、落點關(guān)包括火焰關(guān)就在眼前，此時考驗氣動技術(shù)的時候到了。所謂氣動技術(shù)，就是利用空氣動力學(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技術(shù)為飛船返回艙選定外型。飛船的外型設(shè)計可不是光考慮美觀那么簡單，而是要通過設(shè)計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，氣動技術(shù)到飛船返回時才發(fā)揮作用，但實際上氣動設(shè)計一直被稱為飛船系統(tǒng)工程中的“先行官”。因為，氣動設(shè)計技術(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)氣動參數(shù)進行設(shè)計。飛船從論證到設(shè)計研制，各系統(tǒng)基本是在一條起跑線上，大家一起起步的，但氣動設(shè)計這個“先行官”的角色，決定了氣動設(shè)計要快，要“跑”起來。實際上也的確如此，1990年12月，當(dāng)飛船的可行性論證還在進行中時，飛船氣動組就成立了。
氣動設(shè)計的研制手段是通過風(fēng)洞試驗、數(shù)字計算模擬、飛行試驗來實現(xiàn)的。考慮到技術(shù)上的經(jīng)驗少、時間緊，像飛船外型要求的大功角飛行飛流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機理復(fù)雜以及有限的經(jīng)費，因而飛船的外型采用了類聯(lián)盟號外型，外型既有俄羅斯聯(lián)盟號的影子又參考了美國阿波羅飛船的外型特點，選定了倒錐體的大鈍頭外型。盡管現(xiàn)在大家看到的這個外型像是在“嚼別人嚼過的饃”，但實際上，當(dāng)初，飛船的氣動設(shè)計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外型的大致方案后，氣動設(shè)計人員還是進行了三類9個外型的預(yù)選方案。
因為確定返回艙外型的條件相當(dāng)苛刻，要對外型的每一個尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計時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)計難度，還要考慮該外型在飛行時能否保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)等等方方面面不下幾十項。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，氣動設(shè)計人員的心情可想而知。當(dāng)神舟一號飛船成功返回時，氣動設(shè)計人員又因為這個外型設(shè)計捧回了國防科學(xué)技術(shù)進步二等獎。這時，記者從向記者描述這段過程的飛船氣動設(shè)計主管方芳的臉上，看到了枯燥和辛苦之后的甘甜。
確定了返回艙外型之后，下一個任務(wù)就是為各個分系統(tǒng)提供氣動力和氣動熱參數(shù)。前者是為返回軌道設(shè)計、返回導(dǎo)航和控制設(shè)計提供參數(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。
飛船的氣動設(shè)計一開始就面臨試驗設(shè)備、技術(shù)設(shè)備不能滿足設(shè)計要求的難題。有誰能想到，飛船研制之初，氣動設(shè)計所需的最重要的試驗設(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)試驗都是以國內(nèi)小風(fēng)洞設(shè)備為主進行的。直到飛船的氣動設(shè)計完成后三年的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)初飛船氣動設(shè)計所需的大部分亞跨音速風(fēng)洞試驗、高跨音速風(fēng)洞試驗等只是在小型風(fēng)洞完成的。受試驗條件的限制，試驗?zāi)Ｐ鸵彩浅⌒汀Ｔ谶M行返回艙局部氣動試驗時，就遇到了熱環(huán)境參數(shù)的規(guī)律相對不好把握的難題。反反復(fù)復(fù)的試驗加在一起達上千小時。無數(shù)大量的計算是在701所等單位多方合作下完成的。但是也正因為飛船的氣動設(shè)計的起點差，逼著設(shè)計人員從一開始就“跑”著起步，并在8年的研制歷程中一直保持著奔跑的姿勢。隨著他們的“奔跑”，目前，飛船的氣動技術(shù)和風(fēng)洞試驗設(shè)備已相繼建立起來，并達到了國際90年代水平。硬件上去了，軟件上也沒有落后，飛船氣動設(shè)計軟件的計算精度已達到國際先進水平，超過當(dāng)初俄羅斯聯(lián)盟號的軟件水平，尤其是氣動設(shè)計軟件系統(tǒng)和風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)庫的建立使飛船氣動設(shè)計達到規(guī)范化。
他們的領(lǐng)跑還帶動了一大批年輕人。在國內(nèi)一次次大型氣動專業(yè)研討會上，氣動界的院士、專家不止一次地對神舟飛船氣動設(shè)計人員豎起大拇指。
