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几片小小的栅格舵，可以给火箭重复使用打基础？

微信公众号“中国航天科技集团”

2019-08-05 18:11

科学湃 >

7月26日，我国运载火箭首次“栅格舵分离体落区安全控制技术”试验取得成功，为后续发展可重复使用火箭奠定了基础。

此次栅格舵的使用实现了两个“100分”：

飞行过程100分。加装栅格舵后，长征二号丙火箭飞行过程一切正常，没有受到任何影响。

落点精度100分。火箭一子级残骸在再入过程中，栅格舵很好地完成了解锁-展开-锁定-按控制指令转动等一整套动作，最终降落在离理论落点很近的地方，精度超出了预期目标。

经过更多的试验积累后，未来，火箭残骸的落区划定范围就可以从现在的几十公里乘几十公里，缩小至少80%。

几片小小栅格舵，为什么能发挥这么大的作用？

火箭姿态调整倍增器

栅格翼/舵是由众多薄薄的栅格壁镶嵌在边框内形成。相比于传统气动舵面，栅格翼/舵最大的优点是飞行器在相同飞行速度下，其气动控制效率要高于常规气动舵面，控制力矩大小，在力臂长度一样的情况下，栅格翼/舵产生的作用力要比普通舵面大。

栅格翼/舵在应用上主要分为栅格翼和栅格舵两大类。栅格翼由众多薄的栅格壁镶嵌在边框内形成。这种壁在边框内的布局形式主要有框架式和蜂窝式两种。蜂窝式又分为正置和斜置两种。

目前，使用最广泛的是斜置壁与边框成45°角的蜂窝式栅格翼。这种栅格翼作为空中飞行器和水上航行装置的升力面和控制面，可提高其升力特性，并且增加稳定性和可控性，同时保证运载火箭在各飞行阶段具有足够的比强度和比刚度。

栅格翼的角度是固定的，主要起到理顺气流稳定姿态的作用，但无法控制运载火箭的方向，例如，俄罗斯现役的联盟-FG运载火箭和我国研制的长征二号F运载火箭，在整流罩四周就安装有4片栅格翼。这种栅格翼展开后无法转动，主要起到稳定逃逸组合体姿态的作用。

栅格舵与栅格翼的区别在于前者能转动，能更好地利用气流控制姿态。栅格舵主要安装在运载火箭的助推器和子级上，运载火箭发射升空时需要紧贴箭体侧壁以避免对主任务造成影响，在再入段则需要展开90°并和舵轴锁定，然后在箭体内部伺服舵机和传动机构的带动下按照控制系统发出的指令进行偏转，完成解锁-展开-锁定-传动等一系列动作。

栅格舵机构系统除了包括舵本体外，还包括展开锁定机构、传动机构等组件，这些机构和组件均需通过精确的机械尺寸配合才能实现其使用功能。

美国SpaceX公司研制的“猎鹰9”是世界上首个将栅格舵用于一子级回收和再入姿态控制的运载火箭。安装在一子级箭体上端的四片栅格舵在起飞紧贴箭体侧壁，再入大气层时打开，在下降过程中利用气动力进行姿态稳定控制，以控制滚转、俯仰和偏航，协助控制一子级精确降落在地面预设的平台上。

最早出现在100多年前

栅格翼/舵不是新出现的高科技产品。100多年前，在世界航空业发展初期就有科学家提出过栅格翼飞机的气动力学方案，即在有限翼展上由很多翼元组成的升力系统。

1893年，英国工程师菲力浦斯研制出了1架无人多翼飞机，其机翼由很多栅格组成。菲力浦斯在三轮底座上架起3米高的一整排共50片细长机翼，每片长度在6米左右，宽度3.8厘米，利用1台4.5千瓦的燃煤蒸汽机来驱动双叶螺旋桨起飞。

这套装置被戏称为“轮子上的威尼斯百叶窗”，重约160公斤，栅格总面积为13平方米。试验证明，其升力足够让飞机升空，但姿态十分不稳定。在随后的几十年里，栅格翼/舵一直处于缓慢发展中。

上世纪40年代，苏联科学家对栅格翼/舵的空气动力、结构、强度、质量以及工艺制造等方面开展了系统的理论和试验研究工作，但由于当时对这种翼面的各种特性认识不足，并没有被广泛应用。

赋予产品更好的飞行姿态

栅格翼/舵真正大规模登上历史舞台是在上世纪70年代。当时，苏联科学家为了赋予产品更好的飞行姿态，开始将这种装置应用在导弹上。例如，苏联SS-12弹道导弹、RSS-20先锋战略导弹、SS-21圣甲虫B弹道导弹等武器都安装有栅格翼。其中，SS-20先锋导弹中的一部分栅格为固定式，充当姿态稳定作用，另一部分为可动式栅格，起姿态控制作用。