黃偉

（1 國(guó)防科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410073）（2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

返回與再入技術(shù)

運(yùn)載火箭傘降回收著陸技術(shù)概述

黃偉1,2

（1 國(guó)防科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410073）（2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著可重復(fù)使用運(yùn)載火箭成為航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)，運(yùn)載火箭的回收著陸技術(shù)亦受到更大的關(guān)注?；趥鹘y(tǒng)構(gòu)型的運(yùn)載火箭的回收一般可分為傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型，每種類型的回收著陸技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中傘降回收著陸技術(shù)雖然落點(diǎn)精度較低，但是具有技術(shù)成熟度高、可靠性高、運(yùn)載能力損失低的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)世界各航天大國(guó)一直在開(kāi)展相關(guān)的研究。文章針對(duì)運(yùn)載火箭回收著陸中非常關(guān)鍵的基于傘降方式的回收著陸技術(shù)及系統(tǒng)開(kāi)展研究，梳理了國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭傘降回收著陸技術(shù)的發(fā)展情況。對(duì)于運(yùn)載火箭的傘降回收著陸而言，中國(guó)主要開(kāi)展了基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)兩類方案的研究。文章對(duì)這兩類傘降回收著陸系統(tǒng)進(jìn)行了基本的方案論述，包括系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的工作程序以及涉及到的主要關(guān)鍵技術(shù)分析，并對(duì)兩種傘降回收著陸系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比論述。最后給出了運(yùn)載火箭傘降回收著陸技術(shù)的結(jié)論和相關(guān)建議。

翼傘 氣囊 群傘 回收著陸 運(yùn)載火箭 綜述

0 引言

自從人類開(kāi)始研制運(yùn)載火箭以來(lái)，就一直關(guān)注運(yùn)載火箭的回收問(wèn)題，例如在錢學(xué)森先生 60年代初編著的《星際航行概論》中即已經(jīng)有專門探討運(yùn)載火箭回收的章節(jié)[1]。

回收運(yùn)載火箭的一個(gè)重要目的在于重復(fù)使用以降低成本。傳統(tǒng)的多級(jí)火箭發(fā)射后，一、二級(jí)在工作結(jié)束后被拋棄，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、沖擊濺落后必然受損，完全修復(fù)的花費(fèi)極大，如果能實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭（部分）的可重復(fù)使用，則可大大降低發(fā)射費(fèi)用。近年來(lái)，隨著商業(yè)航天的興起，可重復(fù)使用運(yùn)載火箭成為了國(guó)際的關(guān)注熱點(diǎn)。以SpaceX公司的“獵鷹9號(hào)”可重復(fù)使用運(yùn)載火箭為例，有望實(shí)現(xiàn)發(fā)射成本降低為現(xiàn)有平均水平的1/20[2]。

運(yùn)載火箭的回收對(duì)于我國(guó)有著除重復(fù)使用之外的特別意義[3]：由于我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)射基地大部分都在內(nèi)陸，運(yùn)載火箭助推器與芯級(jí)的墜落地點(diǎn)都在陸地上，盡管這些墜落點(diǎn)都選擇在人口密度相對(duì)較低的區(qū)域，但由于殘骸落點(diǎn)散布范圍大，仍然威脅大量的當(dāng)?shù)鼐用瘛Ｈ绻軌蚴惯\(yùn)載火箭的墜落速度降低，可減小對(duì)地面人員與財(cái)產(chǎn)的威脅；如果能夠進(jìn)一步使得運(yùn)載火箭墜落過(guò)程中具有機(jī)動(dòng)能力，精確落入指定區(qū)域，則可以基本消除對(duì)地面人員與財(cái)產(chǎn)的威脅。

當(dāng)前，按照技術(shù)方式，基于傳統(tǒng)構(gòu)型的運(yùn)載火箭的回收一般可分為傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型，每種類型的回收技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中傘降回收著陸技術(shù)雖然落點(diǎn)精度較低，但是具有技術(shù)成熟度高、可靠性高、運(yùn)載能力損失低的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)世界各航天大國(guó)一直在開(kāi)展相關(guān)的研究。對(duì)于我國(guó)運(yùn)載火箭回收的發(fā)展需求而言，傘降回收著陸技術(shù)值得重點(diǎn)關(guān)注。

1 國(guó)外運(yùn)載火箭傘降回收著陸技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)、俄羅斯、歐洲等均開(kāi)展了可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研究工作，傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型的回收方式均有所發(fā)展。雖然近年來(lái)隨著 SpaceX公司的崛起，垂直返回式的運(yùn)載火箭得到了更多的關(guān)注，但實(shí)際上國(guó)外在運(yùn)載火箭的傘降回收著陸技術(shù)方面多年來(lái)也有較好的發(fā)展。美國(guó)主要有航天器飛機(jī)助推器的傘降回收著陸、K-1火箭的傘降回收著陸、“戰(zhàn)神I”運(yùn)載火箭第一級(jí)及“戰(zhàn)神V”運(yùn)載火箭助推器的傘降回收著陸；俄羅斯主要有“能源號(hào)”火箭助推器的傘降回收著陸、“安哥拉”火箭助推器的傘降回收著陸；歐空局主要有“阿里安5”火箭助推器的傘降回收著陸。

1.1 航天飛機(jī)助推器

每個(gè)美國(guó)航天飛機(jī)固體火箭助推器（Solid Rocket Booster，SRB）的再入質(zhì)量為81 600kg，再入速度約為1 200m/s。再入時(shí)SRB縱軸接近垂直于速度方向，以便獲得較大的氣動(dòng)阻力和較好的氣動(dòng)減速效果，達(dá)到亞音速后逐級(jí)打開(kāi)降落傘系統(tǒng)，以23～27m/s的垂直速度濺落于離發(fā)射場(chǎng)240km的海上，SRB傘降海上濺落過(guò)程如圖1所示。

航天飛機(jī)固體火箭助推器采用的降落傘系統(tǒng)為：1具引導(dǎo)傘、1具穩(wěn)定減速傘和3具主傘。1985年前，SRB降落傘系統(tǒng)所有傘型均為20°錐形帶條傘，為尼龍材料制備。1986年后，鑒于國(guó)際空間站的任務(wù)要求，航天飛機(jī)必須攜帶更多的有效載荷。為了實(shí)現(xiàn)大幅度減小質(zhì)量，SRB降落傘和傘包改用高強(qiáng)度質(zhì)量比的材料凱夫拉和斯貝拉，傘衣結(jié)構(gòu)由新型連續(xù)帶條結(jié)構(gòu)代替厚重的傘衣幅結(jié)構(gòu)。傘衣型式用 1/4球面形傘衣取代錐形傘衣，這種新型主傘直徑為37.5m，效率較高。表1為SRB回收降落傘的主要參數(shù)。自1981年至1996年，航天飛機(jī)先后80次成功完成SRB的回收[4]。

表1 SRB回收降落傘系的主要參數(shù)Tab.1 The parameters of SRB parachutes

1.2 K-1火箭

上世紀(jì)90年代，美國(guó)Kistler、Rotor等私營(yíng)宇航公司參與商業(yè)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的競(jìng)爭(zhēng)。Kistler宇航公司開(kāi)發(fā)的K-1可完全重復(fù)使用運(yùn)載器與目前常規(guī)的運(yùn)載火箭外形類似，垂直起飛，兩級(jí)入軌，一級(jí)和二級(jí)運(yùn)載器分別回收，采用降落傘系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)氣動(dòng)減速，最終以緩沖氣囊實(shí)現(xiàn)在陸地上的安全回收[5-9]。

K-1運(yùn)載火箭二級(jí)運(yùn)載器將有效載荷送入軌道后再入大氣層返回，回收質(zhì)量約12.2t。二級(jí)運(yùn)載器的回收系統(tǒng)，在高度24km左右、速度Ma=2.5時(shí)打開(kāi)一個(gè)7.01m直徑的穩(wěn)定傘使運(yùn)載器減速至亞聲速，然后在8km左右高度分離穩(wěn)定傘并拉出一個(gè)12.25m直徑的減速傘（傘型為帶條傘），減速傘一級(jí)收口。減速傘全部充滿后，在主傘開(kāi)傘前進(jìn)行一次轉(zhuǎn)吊掛動(dòng)作，把運(yùn)載器下落姿態(tài)由零攻角轉(zhuǎn)換為 90°。之后在4～5km高度上拋減速傘并拉出三具47.55m直徑的主傘（傘型為環(huán)帆傘），采用兩級(jí)收口，在3km左右高度上主傘完全充滿。在運(yùn)載器下降至1.5km高度時(shí)氣囊開(kāi)始充氣，采用氣囊進(jìn)行著陸緩沖。

K-1運(yùn)載火箭一級(jí)運(yùn)載器回收質(zhì)量約20.5t。一級(jí)運(yùn)載器在43km高度與二級(jí)運(yùn)載器分離，飛行最高點(diǎn)達(dá)到90km。再入后，在7.6km高度，首先彈射兩個(gè)12.25m直徑兩級(jí)收口的帶條型減速傘進(jìn)行穩(wěn)定與減速，然后4.5km高度上減速傘分離，拉出6個(gè)47.55m直徑兩級(jí)收口的環(huán)帆型主傘，在主傘第一級(jí)收口狀態(tài)下即進(jìn)行轉(zhuǎn)換吊掛，使一級(jí)運(yùn)載器攻角轉(zhuǎn)換為90°。主傘兩次解除收口后，在3km左右高度完全充滿。運(yùn)載器著陸前對(duì)氣囊充氣，通過(guò)氣囊緩沖最終的著陸沖擊。兩級(jí)運(yùn)載器使用的減速傘和主傘基本設(shè)計(jì)是相同的，只是在具體的收口設(shè)計(jì)等方面有所不同。

K-1運(yùn)載火箭一、二級(jí)運(yùn)載器均為4個(gè)緩沖氣囊，緩沖氣囊由外囊與內(nèi)囊組成，外囊起主緩沖作用，內(nèi)囊用于保證運(yùn)載器離地高度。一級(jí)運(yùn)載器長(zhǎng) 18m，直徑 6.6m，其緩沖氣囊呈圓柱形，外形尺寸為Φ2.6m×3.6m。二級(jí)運(yùn)載器長(zhǎng)18.2m，直徑4.2m，緩沖氣囊呈球形，外囊直徑為3m，內(nèi)囊直徑為1.56m。氣囊布局如圖2所示。

氣囊充氣系統(tǒng)（Airbag Gassing System，AGS）為緩沖氣囊提供氮?dú)鈿庠?。AGS設(shè)計(jì)指標(biāo)為：質(zhì)量11.4kg，氣囊充滿時(shí)間不超過(guò)60s，運(yùn)載器下降過(guò)程中能夠維持氣囊壓力200s，運(yùn)載器著陸后能夠維持內(nèi)囊30min。四個(gè)氣囊共用一個(gè)充氣系統(tǒng)的氣瓶，氣瓶壓力為41MPa，容積為213L。K-1運(yùn)載火箭一級(jí)運(yùn)載器配置1個(gè)氣瓶，二級(jí)運(yùn)載器配置2個(gè)氣瓶。

K-1運(yùn)載火箭回收著陸系統(tǒng)的絕大部分研制試驗(yàn)已經(jīng)完成，原計(jì)劃在2002年進(jìn)行試飛并設(shè)想成為世界上第一個(gè)可完全重復(fù)使用的地球低軌道運(yùn)載器，但由于項(xiàng)目終止導(dǎo)致并未進(jìn)行飛行驗(yàn)證。相比較于海上回收重復(fù)使用，陸上回收對(duì)于降低發(fā)射成本更具優(yōu)勢(shì)。

1.3 “戰(zhàn)神I”運(yùn)載火箭第一級(jí)

“戰(zhàn)神Ⅰ”運(yùn)載火箭是美國(guó)“星座”計(jì)劃開(kāi)發(fā)的運(yùn)載工具，主要用于發(fā)射“獵戶座”飛船，載人進(jìn)入空間，向 ISS（國(guó)際空間站）運(yùn)送人員和貨物、執(zhí)行重返月球任務(wù)以及載人登陸火星甚至探索更遙遠(yuǎn)星球任務(wù)。

戰(zhàn)神Ⅰ火箭設(shè)計(jì)為火箭第一級(jí)可回收重復(fù)使用，其工作過(guò)程見(jiàn)圖 3，火箭起飛后利用第一級(jí)動(dòng)力飛行126s，飛至57.5km高度時(shí)Ma=5.9。第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料耗盡后分離，在降落傘回收系統(tǒng)作用下安全濺落海上回收[10-13]。

“戰(zhàn)神Ⅰ”第一級(jí)降落傘回收系統(tǒng)的方案繼承自航天飛機(jī)助推器降落傘回收系統(tǒng)，采用了1個(gè)引導(dǎo)傘、1個(gè)減速傘與3個(gè)主傘，但是主傘尺寸有較大的增加，其主傘名義直徑為45.7m，質(zhì)量約1t，設(shè)計(jì)承受最大飛行載荷為113t。表2為航天飛機(jī)助推器降落傘系統(tǒng)與“戰(zhàn)神I”第一級(jí)降落傘系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比。

截止到2009年10月，“戰(zhàn)神Ⅰ”火箭降落傘回收系統(tǒng)開(kāi)展了多次的火箭橇試驗(yàn)（驗(yàn)證引導(dǎo)傘、減速傘的開(kāi)傘狀態(tài)）與空投試驗(yàn)（驗(yàn)證全部降落傘系統(tǒng)），其中空投模型最大達(dá)到33t，降落傘系統(tǒng)得到了有效的驗(yàn)證。但是由于美國(guó)“星座”計(jì)劃的取消，戰(zhàn)神火箭的研制也終止了。

“戰(zhàn)神V”火箭助推器與“戰(zhàn)神I”火箭第一級(jí)回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本相同，其回收方案與“戰(zhàn)神I”火箭第一級(jí)回收方案基本相同。

表2 航天飛機(jī)助推器降落傘與“戰(zhàn)神Ⅰ”第一級(jí)降落傘參數(shù)對(duì)比Tab.2 The comparison for parachute parameters of SRB and first stage of ares I first stage

1.4 “能源號(hào)”火箭助推器

20世紀(jì)70年代至90年代，俄羅斯進(jìn)行了大型運(yùn)載火箭“能源號(hào)”的研制，“能源號(hào)”火箭設(shè)計(jì)為其液體助推器可回收重復(fù)使用。助推器回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一種通用的回收系統(tǒng)，其適用范圍為：回收質(zhì)量5～70t，開(kāi)傘時(shí)回收體下降速度 0.5～2.5m，高度 5.5～15km。根據(jù)回收飛行器的質(zhì)量和飛行彈道的特性對(duì)通用件進(jìn)行組合選擇?！澳茉刺?hào)”助推器的主要回收系統(tǒng)由1具二級(jí)收口的186m2的引導(dǎo)傘、3具200m2/具的減速傘、3具1 800m2/具且二級(jí)收口的主傘和著陸時(shí)的反推發(fā)動(dòng)機(jī)組成。

由于助推器具有長(zhǎng)細(xì)比較大的特點(diǎn)，在乘主降落傘降落過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)定速度后，主降落傘與助推器的連接由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)換為水平狀態(tài)，著地前裝在助推器兩端的反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，使助推器以接近零的速度軟著陸。

雖然最終由于“能源號(hào)”火箭型號(hào)任務(wù)的下馬，該回收系統(tǒng)沒(méi)有得到型號(hào)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，但已完成主要研制工作與地面試驗(yàn)驗(yàn)證，降落傘系統(tǒng)的有效性得到驗(yàn)證，并在后續(xù)應(yīng)用在了“阿里安”火箭助推器的傘降回收著陸系統(tǒng)方案中。

1.5 “阿里安”火箭助推器

“阿里安”火箭成功進(jìn)入了世界商業(yè)發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，并取得了良好的市場(chǎng)份額。20世紀(jì)八十年代中期，歐空局與俄羅斯合作開(kāi)始了“阿里安5”固體火箭助推器（回收質(zhì)量40t、長(zhǎng)度31m和直徑3m）回收技術(shù)的研究。

“阿里安5”助推器降落傘回收系統(tǒng)安裝在助推器的前部和頭錐內(nèi)，包括引導(dǎo)傘、減速傘傘群（3具）、主傘和附加傘等6具降落傘組成，附加傘是為了限制主傘開(kāi)傘過(guò)程中速度的增加，主傘直接借用俄羅斯能源號(hào)助推器回收主傘。引導(dǎo)傘為1.96m直徑的平面圓傘，降落傘材料為尼龍，引導(dǎo)傘通過(guò)連在頭錐上的14m長(zhǎng)芳綸拖帶拉出3個(gè)減速傘為直徑10.8m（面積90m2）的平面圓傘，為了控制開(kāi)傘過(guò)載，采用了4～5級(jí)收口，減速傘工作25s。主傘名義直徑48.1m（名義面積1 800m），采用了4～5級(jí)收口。附加傘不收口。

“阿里安5”助推器回收系統(tǒng)工作程序見(jiàn)圖4所示?；鸺痫w后126s，到達(dá)59km左右高度，助推器與芯級(jí)分離；助推器沿分離彈道繼續(xù)上升到彈道頂點(diǎn)150km，然后下降再入大氣；助推器下降到5km左右時(shí)，頭錐分離裝置將頭錐彈出并拉出引導(dǎo)傘，引導(dǎo)傘張滿后拉出3具減速傘，減速傘逐級(jí)解除收口至完全張滿。當(dāng)助推器下降到2.7～1.3km時(shí)，分離減速傘并拉出主傘和附加傘，主傘逐級(jí)解除收口至完全張滿，最終攜帶助推器以小于27m/s的垂直速度濺落海上。

“阿里安 5”運(yùn)載火箭的首次發(fā)射試驗(yàn)（“阿里安”502任務(wù)）于1996年6月進(jìn)行，由于控制系統(tǒng)故障，火箭升空30s后發(fā)生故障，傘降回收著陸系統(tǒng)未得到考驗(yàn)。1998年10月的“阿里安”503任務(wù)中，助推器傘降回收著陸系統(tǒng)得以工作，成功回收一個(gè)助推器，另一個(gè)助推器在再入時(shí)因姿態(tài)處于不利狀態(tài)遇到了最大氣動(dòng)壓力而斷成兩節(jié)，未能回收[14-15]。

2 我國(guó)的發(fā)展情況

我國(guó)從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行了研究工作，包括概念研究以及單項(xiàng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。其中重復(fù)使用運(yùn)載器的研究涉及到從多級(jí)入軌、部分重復(fù)使用到多級(jí)入軌、完全可重復(fù)使用，以及單級(jí)入軌、完全可重復(fù)使用等多種方案[16-17]。

對(duì)于運(yùn)載火箭的傘降回收著陸而言，我國(guó)主要開(kāi)展了基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)兩類方案的研究。

其中，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心與北京空間機(jī)電研究所共同開(kāi)展了運(yùn)載火箭一子級(jí)回收著陸系統(tǒng)的研究，采用群傘+氣囊回收系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，完成了縮比級(jí)群傘系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制并進(jìn)行了高塔投放試驗(yàn)、空投試驗(yàn)，完成了縮比級(jí)緩沖氣囊原理樣機(jī)的研制并進(jìn)行了著陸沖擊試驗(yàn)（如圖5～6所示），可為后續(xù)工程研發(fā)與應(yīng)用提供非常有價(jià)值的參考。

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院宇航系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)部與北京空間機(jī)電研究所共同開(kāi)展了運(yùn)載火箭助推器安全回收系統(tǒng)的研究工作，目標(biāo)是對(duì)運(yùn)載火箭助推器實(shí)施精確可控的安全回收，以減小過(guò)去執(zhí)行發(fā)射任務(wù)后火箭末級(jí)助推器落點(diǎn)不可控帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少落區(qū)疏散范圍，降低發(fā)射成本。該研究采用了可控沖壓翼傘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭助推器可控回收，目前已完成系統(tǒng)論證和縮比樣機(jī)的演示驗(yàn)證試驗(yàn)（如圖 7所示），定點(diǎn)著陸精度達(dá)到百米量級(jí)[18-19]。

3 兩種典型的運(yùn)載火箭傘降回收著陸系統(tǒng)

基于我國(guó)運(yùn)載火箭可重復(fù)使用以及安全回收的需求分析，對(duì)于可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的回收需求，由于一級(jí)、二級(jí)以及助推器的質(zhì)量比較大，一般而言可采用群傘回收的方案。對(duì)于陸地上著陸，在降落傘減速的基礎(chǔ)上還需要采用著陸緩沖措施，而緩沖氣囊是較好的選擇?；谌簜?緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)是適合于可重復(fù)使用運(yùn)載火箭回收的典型方案。

對(duì)于運(yùn)載火箭的安全定點(diǎn)回收而言，由普通降落傘組成的群傘基本不具備機(jī)動(dòng)滑翔的能力，需要采用可控傘的回收方案。目前，沖壓翼傘是最為成熟且輕質(zhì)高效的可控傘，因此基于沖壓翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)是適合于運(yùn)載火箭安全定點(diǎn)回收的典型方案。

3.1 基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)一般由降落傘子系統(tǒng)、緩沖氣囊子系統(tǒng)、回收控制子系統(tǒng)、火工作動(dòng)子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)組成。

降落傘子系統(tǒng)一般包括引導(dǎo)傘系、減速傘系、主傘系以及相應(yīng)的連接吊帶等。其中，引導(dǎo)傘可采用彈射出傘的方式，通過(guò)引導(dǎo)傘拉出減速傘，減速傘對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行調(diào)姿與減速。達(dá)到一定的條件后將減速傘分離，利用減速傘的氣動(dòng)阻力拉出主傘。減速傘與主傘均采用倒拉傘的方式開(kāi)傘。當(dāng)然，如果減速傘的面積需求不大，也可直接彈射開(kāi)傘，則不需要設(shè)置引導(dǎo)傘。各級(jí)降落傘的數(shù)量需要根據(jù)回收的運(yùn)載火箭質(zhì)量及回收的初始速度、高度條件確定。由于緩沖火箭為細(xì)長(zhǎng)體，為了給著陸緩沖創(chuàng)造條件，在主傘作用過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換吊掛，將回收的運(yùn)載火箭箭體姿態(tài)由垂直方向調(diào)整為水平方向著陸。

緩沖氣囊子系統(tǒng)一般包括兩組緩沖氣囊以及其相關(guān)的高壓氣瓶、充氣管路系統(tǒng)等。兩組緩沖氣囊分別布置在運(yùn)載火箭箭體的兩端，緩沖氣囊一般采用內(nèi)外氣囊組合形式，在主傘張滿后穩(wěn)定降落階段進(jìn)行充氣。在觸地時(shí)，外氣囊對(duì)回收物的著陸沖擊起到緩沖作用。當(dāng)外氣囊內(nèi)的壓差達(dá)到一定壓力時(shí)，囊體上的排氣口打開(kāi)，外氣囊開(kāi)始向外排氣。內(nèi)氣囊在外氣囊內(nèi)部，其功能是作為回收物著地后的支承，使其不直接接觸地面。由于外囊體積較大，為了減小氣瓶的容積，可采用自吸氣式氣囊方案，即氣瓶?jī)H對(duì)外氣囊的骨架和內(nèi)氣囊充氣，外氣囊的主體部分在下降過(guò)程中由空氣充入。

回收控制子系統(tǒng)一般包括控制器、敏感器等單機(jī)。例如，某運(yùn)載火箭一子級(jí)回收控制子系統(tǒng)定由靜壓高度敏感器器、姿態(tài)敏感器、過(guò)載開(kāi)關(guān)以及回收控制器等單機(jī)組成。該回收系統(tǒng)通過(guò)靜壓高度敏感器及姿態(tài)敏感器獲取一子級(jí)的高度和姿態(tài)參數(shù)，通過(guò)回收控制器內(nèi)置程序確定回收系統(tǒng)開(kāi)傘啟動(dòng)的時(shí)機(jī)，并依次發(fā)出彈傘、脫傘等一系列的指令。一子級(jí)著陸后，過(guò)載開(kāi)關(guān)接通，回收控制器發(fā)出主傘脫離指令。

火工子系統(tǒng)一般由彈傘筒、解鎖器、垂掛釋放器、脫傘器等部件組成，屬于瞬時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作可靠性高，實(shí)現(xiàn)降落傘彈射、分離、轉(zhuǎn)換吊掛等指令動(dòng)作。

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)一般包括降落傘傘艙、降落傘連接及分離機(jī)構(gòu)、垂掛吊索、氣囊艙以及相應(yīng)的各種安裝支座等。通過(guò)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，將降落傘、氣囊等裝置與運(yùn)載火箭的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝固定，并最終將降落傘的氣動(dòng)力及氣囊的緩沖力傳遞到運(yùn)載火箭的主體結(jié)構(gòu)上。

3.1.2 工作程序

群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)需要以一定的程序先后開(kāi)引導(dǎo)傘、減速傘、主傘以及緩沖氣囊等。以某一子級(jí)傘降回收著陸系統(tǒng)方案為例，其工作程序如下：

1）運(yùn)載火箭一子級(jí)分離后飛行至最高點(diǎn)后按彈道式再入；

2）一子級(jí)降落至合適的開(kāi)傘高度及姿態(tài)范圍時(shí)回收程序啟動(dòng)，回收控制系統(tǒng)發(fā)指令動(dòng)作，2只彈傘筒分別彈出各自引導(dǎo)傘；

3）引導(dǎo)傘迅速?gòu)垵M并分別拉出各自的減速傘；

4）減速傘呈一級(jí)收口狀態(tài)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)延遲解除收口并張滿；

5）減速傘工作適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，分離減速傘，并同時(shí)拉出3具主傘；

6）主傘呈一級(jí)收口狀態(tài)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)延遲解除收口并張滿，逐漸達(dá)到穩(wěn)降速度；

7）一子級(jí)由垂直吊掛轉(zhuǎn)換成水平吊掛；

8）在一子級(jí)著陸前緩沖氣囊打開(kāi)，著陸緩沖后由內(nèi)氣囊支撐火箭一子級(jí)，脫傘器工作分離主傘。

火箭一子級(jí)回收系統(tǒng)整個(gè)工作程序如圖8所示。

3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于群傘-緩沖氣囊的運(yùn)載火箭傘降回收著陸系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)即主要在大型群傘和氣囊兩個(gè)方面。

在大型群傘方面，關(guān)鍵在于群傘充氣同步性控制技術(shù)。群傘中，各個(gè)組成傘的充氣過(guò)程是否同步，基本上決定了群傘系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。如果群傘充氣同步性較差，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)傘載荷在各傘間的分布不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使群傘系統(tǒng)中1個(gè)或幾個(gè)單具降落傘破壞失效。多傘同步充氣技術(shù)主要是改善群傘充氣的同步性，一般從提高單傘的充氣一致性和提高傘間動(dòng)作的同步性兩方面采取措施，主要包括傘頂控制帶技術(shù)、集群傘包出傘、多級(jí)收口技術(shù)。

在大型緩沖氣囊方面，關(guān)鍵在于緩沖過(guò)程的排氣控制技術(shù)。通過(guò)建立氣囊緩沖過(guò)程的物理和數(shù)學(xué)模型，分析充氣壓力、排氣口開(kāi)啟壓力、開(kāi)啟時(shí)機(jī)、排氣口尺寸、著陸速度、回收物質(zhì)量、氣囊初始高度、質(zhì)量體積比等對(duì)緩沖過(guò)載、剩余速度及穩(wěn)定性的影響，分析不同氣囊排氣控制方式對(duì)響應(yīng)時(shí)間、緩沖性能和抗側(cè)翻能力的差異，以確定最優(yōu)的排氣控制方案。氣囊排氣控制理想，不但能夠精確控制緩沖過(guò)載，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。排氣控制關(guān)鍵技術(shù)主要有排氣口的密封技術(shù)、多囊排氣口按預(yù)定程序開(kāi)啟的控制技術(shù)及開(kāi)啟延時(shí)的控制技術(shù)等。

除以上所提技術(shù)外，大型群傘和氣囊從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能仿真分析、材料、加工及折疊包裝工藝以及試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等方方面面均涉及到關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，需要攻關(guān)解決。

3.2 基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)一般由降落傘子系統(tǒng)、回收控制子系統(tǒng)、火工作動(dòng)子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和伺服操縱機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)組成。

降落傘子系統(tǒng)一般可采用引導(dǎo)傘、減速傘加可控翼傘的方案。引導(dǎo)傘用于拉出減速傘，減速傘用于將運(yùn)載火箭回收物進(jìn)行減速和穩(wěn)定姿態(tài)，并在工作之后拉出可控翼傘?？煽匾韨阋话闶遣捎脹_壓翼傘，用于進(jìn)一步降低回收物的速度，并使其具備一定的滑翔能力以完成定點(diǎn)機(jī)動(dòng)飛行。沖壓翼傘的可控定點(diǎn)飛行是通過(guò)對(duì)其左右后緣進(jìn)行下拉操作以控制其轉(zhuǎn)彎來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)即將落地時(shí)，進(jìn)行特定的左右后緣雙拉操作，可實(shí)現(xiàn)沖壓翼傘滑翔速度的迅速降低，以實(shí)現(xiàn)低速無(wú)損著陸，即常稱為的“雀降”。事實(shí)上，也可根據(jù)具體的需求，將減速傘設(shè)置為可控翼傘，在減速傘工作階段即進(jìn)行回收物的機(jī)動(dòng)滑翔下降。

回收控制子系統(tǒng)一般包括程序控制器、歸航控制器、伺服控制器（也可進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，具備相應(yīng)的模塊）、敏感器以及相應(yīng)的導(dǎo)航天線等單機(jī)。其中歸航控制器用于通過(guò)判斷回收體與目標(biāo)著陸點(diǎn)的相對(duì)位置，實(shí)時(shí)輸出信號(hào)到伺服控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制沖壓翼傘進(jìn)行歸航飛行。

與上節(jié)基于群傘-緩沖氣囊的回收系統(tǒng)方案類似，火工作動(dòng)子系統(tǒng)一般由彈傘筒、解鎖器、垂掛釋放器等部件組成，但一般不設(shè)置脫傘器來(lái)分離作為主傘的可控翼傘，可進(jìn)一步收縮操縱繩長(zhǎng)度，使可控沖壓翼傘在地面風(fēng)的作用下不會(huì)拉動(dòng)回收物。結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)一般包括降落傘傘艙、降落傘連接及分離機(jī)構(gòu)、垂掛吊索以及相應(yīng)的各種安裝支座等。

伺服操縱機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)及伺服操縱機(jī)構(gòu)等。伺服電機(jī)用于接收控制子系統(tǒng)的指令，與伺服控制器配套，按照歸航控制律的設(shè)置進(jìn)行操作，帶動(dòng)伺服操縱機(jī)構(gòu)對(duì)翼傘左右后緣分別或同時(shí)進(jìn)行操作。伺服操縱結(jié)構(gòu)與翼傘的操縱繩連接，一般分成左拉、右拉兩套，通過(guò)改變翼傘操縱繩的長(zhǎng)度以產(chǎn)生沖壓翼傘左右后緣的偏轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎氣動(dòng)力矩，或“雀降”時(shí)氣動(dòng)性能的迅速改變。

3.2.2 工作程序

基于可控沖壓翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)同樣需要以一定的程序先后開(kāi)引導(dǎo)傘、減速傘、主傘等，不過(guò)與常規(guī)的降落傘系統(tǒng)不同，打開(kāi)翼傘后需要進(jìn)行定點(diǎn)歸航。

以某火箭助推器傘降回收著陸系統(tǒng)方案為例，其工作程序可分為兩個(gè)階段，第一階段為降落傘出傘階段，其工作程序如圖9所示，主要有：

1）助推器下降到一定高度后，回收控制指令發(fā)出，將引導(dǎo)傘彈出；

2）引導(dǎo)傘充滿后拉出減速傘，減速傘以收口方式工作；

3）減速傘收口工作一定時(shí)間后解除收口，全部張滿；

4）減速傘全部張滿工作一定時(shí)間后，將助推器由垂直吊掛轉(zhuǎn)換成水平垂掛裝置；

5）垂掛轉(zhuǎn)換完成后，減速傘繼續(xù)作用一定的時(shí)間后，將減速傘分離并拉出可控翼傘；

6）可控翼傘為沖壓翼傘，拉直后開(kāi)始充氣；

7）為了降低開(kāi)傘過(guò)載，沖壓翼傘充氣過(guò)程進(jìn)行多級(jí)張開(kāi)控制?？刹捎脤?duì)整個(gè)翼傘面積的收口控制方式，或者對(duì)翼傘的多個(gè)氣室進(jìn)行先后的打開(kāi)控制；

8）沖壓翼傘全部充滿。

沖壓翼傘全部充滿后進(jìn)入定點(diǎn)歸航階段，其工作程序如圖10所示，簡(jiǎn)述如下：

1）歸航控制器的GPS或“北斗”等導(dǎo)航設(shè)備完成定位；

2）可控翼傘攜帶助推器向目標(biāo)落點(diǎn)定向飛行；

3）進(jìn)入目標(biāo)落點(diǎn)附近，可控翼傘攜帶助推器進(jìn)行盤(pán)旋消高；

4）為了降低水平著陸速度，通過(guò)控制使翼傘攜帶助推器進(jìn)入逆風(fēng)飛行狀態(tài)；

5）在特定高度，可控翼傘進(jìn)行“雀降”操作，使助推器的下降速度進(jìn)一步迅速降低；

6）助推器最終安全降落在指定的著陸區(qū)域內(nèi)，可進(jìn)一步收縮翼傘操縱繩，以減小地面風(fēng)對(duì)翼傘的影響。

3.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于可控沖壓翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)主要在大型沖壓翼傘和伺服操縱控制兩個(gè)方面。

在大型沖壓翼傘方面，首先要根據(jù)定點(diǎn)著陸的需求選擇合適升阻比的翼型，并且需充分分析柔性材料制成的翼傘最終能實(shí)現(xiàn)的滑翔比和穩(wěn)定性。其次，為了保證滿足滑翔及轉(zhuǎn)彎操控的需求，并且達(dá)到綜合最優(yōu)的效果，需要解決翼傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，與一般降落傘和小型翼傘相比，大型翼傘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣室很多，如果翼傘一次性充滿，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)傘動(dòng)載過(guò)大、傘衣破損。因此大面積翼傘必須按照順序依次展開(kāi)，并保證順利展開(kāi)充氣。相應(yīng)的翼傘收口及展開(kāi)控制技術(shù)非常關(guān)鍵。

在翼傘的伺服操縱控制方面，由于翼傘面積的增大，操縱行程增大，同時(shí)也需要更大的操縱力來(lái)改變傘衣后緣的下拉量，如何滿足重量、功耗、體積等多方面的要求，是伺服操縱控制的關(guān)鍵難點(diǎn)。常用的電機(jī)和直流電源具有工作可靠，操控簡(jiǎn)便，但以目前的技術(shù)水平，功率需求的增大將使得電源和電機(jī)質(zhì)量和體積都急劇增加。因此開(kāi)發(fā)高能電池和先進(jìn)高效電機(jī)是應(yīng)用的關(guān)鍵。除伺服電機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的方法以外，還可以采用液壓操縱機(jī)構(gòu)、肌肉式收縮機(jī)構(gòu)等先進(jìn)方式。

除以上所提技術(shù)外，大型可控群傘的折疊包裝、飛行動(dòng)力學(xué)分析及辨識(shí)、目標(biāo)識(shí)別及自動(dòng)歸航等亦存在較多的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.3 兩種傘降回收著陸系統(tǒng)的對(duì)比

以上所述，基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)都具有各自的特點(diǎn)。其中群傘-緩沖氣囊的方案適應(yīng)的回收質(zhì)量更大，整個(gè)回收著陸系統(tǒng)質(zhì)量相對(duì)較低，且群傘系統(tǒng)中的各個(gè)傘互為熱備份，系統(tǒng)可靠性高，能夠適應(yīng)較大質(zhì)量可重復(fù)使用運(yùn)載火箭子級(jí)或助推器的無(wú)損著陸需求。但是，基于群傘的方案在開(kāi)傘后基本不具備機(jī)動(dòng)性，屬于“隨風(fēng)飄”的狀態(tài)，落點(diǎn)散布相對(duì)較大。此外，如果運(yùn)載火箭回收的落點(diǎn)是海上，則可以取消緩沖氣囊以及相應(yīng)的降落傘轉(zhuǎn)換吊掛裝置，回收系統(tǒng)質(zhì)量將進(jìn)一步降低。

基于可控翼傘的回收系統(tǒng)方案相對(duì)于常規(guī)降落傘系統(tǒng)需要增加配置電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、操縱機(jī)構(gòu)等設(shè)備。隨著回收質(zhì)量的增加，翼傘面積需要更大，相應(yīng)的操縱力需求也成比例增加，對(duì)應(yīng)的伺服操縱及控制設(shè)備的質(zhì)量也顯著上升，從而整個(gè)回收系統(tǒng)的質(zhì)量相對(duì)較大。因此，基于可控翼傘的回收系統(tǒng)適用的最大回收質(zhì)量相對(duì)群傘-緩沖氣囊方案有所減小。但是，可控翼傘系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭回收物的定點(diǎn)機(jī)動(dòng)下降，有效減小落點(diǎn)散布，從而對(duì)運(yùn)載火箭的落區(qū)需求有明顯降低，能夠更好地保障落區(qū)的財(cái)產(chǎn)安全。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用需求，在不要求落點(diǎn)可控的情況下采用群傘-緩沖氣囊的方案較為合理。對(duì)于運(yùn)載火箭的安全可控回收需求，則需要采用基于可控翼傘的回收系統(tǒng)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

可重復(fù)使用運(yùn)載火箭對(duì)于回收著陸技術(shù)提出了明確的需求，回收著陸的方式有多種，其中基于傘降回收著陸的方案是重要的方向之一。本文介紹了國(guó)外運(yùn)載火箭傘降技術(shù)的發(fā)展情況以及國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)的發(fā)展情況，并對(duì)我國(guó)需求較為迫切的基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)的方案進(jìn)行了梳理。通過(guò)研究得出如下結(jié)論和建議：

1）傘降回收著陸技術(shù)是基于傳統(tǒng)構(gòu)型的運(yùn)載火箭回收的重要類型，長(zhǎng)期以來(lái)美國(guó)、俄羅斯、歐洲等一直在開(kāi)展相關(guān)的研究和應(yīng)用，其中美國(guó)從航天飛機(jī)助推器到戰(zhàn)神運(yùn)載火箭的回收系統(tǒng)是一脈相承的，而從俄羅斯的能源號(hào)運(yùn)載助推器回收到歐空局的“阿里安5”固體火箭助推器回收也是延續(xù)的；

2）從國(guó)外研究情況來(lái)看，對(duì)于運(yùn)載器海上回收的情況，利用降落傘將最終垂直著陸速度降低到不超過(guò) 27m/s，而不需采用著陸緩沖的手段；對(duì)于陸上回收的情況，除了利用降落傘減速外，還需要增加氣囊或反推發(fā)動(dòng)機(jī)的著陸緩沖手段；

3）我國(guó)在運(yùn)載火箭傘降回收著陸技術(shù)方面圍繞基于群傘-緩沖氣囊以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統(tǒng)的方案已經(jīng)開(kāi)展了較為全面的研究，取得了一定的進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平存在相當(dāng)?shù)牟罹?，還需要加大投入、奮力趕超；

4）對(duì)于我國(guó)較大質(zhì)量的可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的一子級(jí)、二子級(jí)的回收，在不要求落點(diǎn)可控的情況下建議采用群傘-緩沖氣囊的回收系統(tǒng)方案。對(duì)于運(yùn)載火箭助推器的安全可控回收需求，建議采用基于可控翼傘的回收系統(tǒng)方案。

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The Summary of Launch Vehicle Parachute Recovery and Landing Technologies

HUANG Wei1,2
（1 National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the reusable launch vehicle becoming the hotspot in the field of spaceflight, the launch vehicle recovery and landing technologies get more attentions. There are three types of recovery and landing technologies for the traditional launch vehicle generally such as parachute return’ vertical return, and winged return. Each type has its own advantages and disadvantages. Although the parachute recovery and landing technologies have insufficient falling point precision, it has the advantages of high technology maturing, high reliability and low loss of carrying capacity and has been developed by the main space powers. This article studies the parachute recovery and landing technology, which is a very important aspect among the rocket recovery and landing technologies. The domestic and international developments of parachute recovery and landing technologies have been presented. The systems based on cluster parachute- attenuation airbags and steerable parafoil for rockets have been studied in China. The system schemes of these two types have been discussed, including the system composition, the working routine, the main key technical issues and the comparative analysis. Finally, the conclusion and suggestion were put forward.

sparafoil; airbag; cluster parachute; recovery and landing; launch vehicle; summary

V421.1

A

1009-8518(2017)03-0001-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.001

黃偉，男，1977年生，2002年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)楹教炱骰厥罩懴到y(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)試驗(yàn)。E-mail： huangwei1977@139.com。

（編輯： 劉穎）

2017-03-20