彭 越，徐 洋，高 晨，馬小龍，董 鍇

0 引 言

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)是指可多次往返于地面與空間軌道、多次重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，具有“自由進(jìn)出空間、按需返回地面、多次可重復(fù)使用”的典型特征，是降低航天運(yùn)輸成本、提高安全可靠性的理想運(yùn)輸工具[1]。

重復(fù)使用實(shí)際上有兩個(gè)步驟，先是回收，再是重復(fù)使用，回收是基礎(chǔ)。目前運(yùn)載火箭子級(jí)回收按技術(shù)途徑可分為3類(lèi)主流技術(shù)：采用降落傘（無(wú)控傘或可控翼傘）箭體回收技術(shù)；有翼飛回式水平降落回收技術(shù)；利用火箭自身動(dòng)力系統(tǒng)垂直起降回收技術(shù)[2]。

a）降落傘回收技術(shù)在可重復(fù)使用領(lǐng)域最為成熟，典型項(xiàng)目為航天飛機(jī)固體助推器、蘇聯(lián)能源號(hào)助推器的回收，其技術(shù)特點(diǎn)為回收系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、技術(shù)成熟度高、對(duì)火箭自身影響較小。

b）有翼飛回式技術(shù)的典型代表是美國(guó)航天飛機(jī)和X-37B飛行器，其技術(shù)特點(diǎn)是再入飛回過(guò)程可控性好、降落地點(diǎn)選擇性靈活、無(wú)需額外動(dòng)力耗散再入能量。

c）垂直起降技術(shù)的特點(diǎn)在于可以確?；鸺Y(jié)構(gòu)安全、定點(diǎn)降落，不會(huì)對(duì)箭體造成損傷，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有臺(tái)數(shù)少、多次啟動(dòng)、推力調(diào)節(jié)等能力，需要研制著陸支撐系統(tǒng)，突破箭體再入過(guò)程姿態(tài)控制、氣動(dòng)熱環(huán)境控制等技術(shù)。SpaceX公司法爾肯-9運(yùn)載火箭已實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的垂直回收著陸，并使用回收利用的火箭成功發(fā)射衛(wèi)星。

中國(guó)在運(yùn)載火箭可重復(fù)使用技術(shù)方面也開(kāi)展相關(guān)研究，包括大型可控翼傘回收、降落傘加氣囊回收以及垂直返回等方案。運(yùn)載火箭回收技術(shù)國(guó)外已經(jīng)達(dá)到了飛行應(yīng)用階段，中國(guó)還處于探索和部分演示驗(yàn)證階段。本文提出了一種基于翼傘減速機(jī)動(dòng)、使用飛艇空中捕獲的新型運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收，在運(yùn)載火箭助推器或一級(jí)在分離后的再入過(guò)程中采用基于翼傘的大氣段減速機(jī)動(dòng)方案，在翼傘飛行段采用自主歸航控制算法返回預(yù)定捕獲區(qū)域后，使用大載重量飛艇群攜帶捕獲網(wǎng)對(duì)翼傘飛行器進(jìn)行空中捕獲。

1 國(guó)外運(yùn)載火箭傘降回收方案

目前，國(guó)內(nèi)外可重復(fù)使用運(yùn)載火箭或可重復(fù)使用運(yùn)載器的回收方案中，SpaceX的法爾肯-9火箭垂直起降回收方案、航天飛機(jī)及X-37B飛行器的滑行降落方案均屬于依靠飛行器自身動(dòng)力回收。相對(duì)于依靠飛行器自身動(dòng)力回收方案，采用運(yùn)載火箭附帶的降落傘或翼傘進(jìn)行可控回收屬于另一種重復(fù)使用技術(shù)路線。采用傘降回收方案主要包括航天飛機(jī)助推器回收、部分返回式衛(wèi)星的回收以及 ULA新一代火神火箭的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)回收方案等。下面將主要對(duì)幾種典型的傘降回收方案進(jìn)行介紹。

1.1 航天飛機(jī)固體助推器回收

航天飛機(jī)固體助推器（Solid Rocket Boosters，SRB）是世界上首次實(shí)現(xiàn)大型航天運(yùn)載器的回收和重復(fù)使用[3]。航天飛機(jī)固體助推器長(zhǎng)度45 m、直徑3.7 m、起飛質(zhì)量590 t、分離質(zhì)量約90 t。航天飛機(jī)在上升段飛行過(guò)程中進(jìn)行助推器與軌道器分離。分離279 s后，SRB以23 m/s的速度濺落海面，隨后回收船將固體火箭助推器及其它組件拖回肯尼迪航天中心。雖然固體火箭助推器管線相對(duì)較少，理論上可多次落海后重復(fù)使用，但在實(shí)際操作過(guò)程中落水過(guò)程仍可能對(duì)箭體結(jié)構(gòu)造成損傷，并且海水的腐蝕性和水草等多余物也會(huì)對(duì)重復(fù)使用造成影響，增加了檢查的工作量。航天飛機(jī)固體助推器回收過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 航天飛機(jī)固體助推器回收過(guò)程Fig.1 The Recovery Procedure of Space Shuttle SRB

美國(guó)AresI-X運(yùn)載火箭一子級(jí)[4]與歐洲阿里安-5運(yùn)載火箭固體助推器[5]的回收方案與航天飛機(jī)助推器基本相同。

1.2 X-38飛行器翼傘回收

除普通減速降落傘外，翼傘回收系統(tǒng)也受到廣泛關(guān)注。翼傘回收系統(tǒng)不僅有傳統(tǒng)降落傘回收系統(tǒng)方便折疊包裝、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的滑翔性能、穩(wěn)定性和操縱性，可實(shí)現(xiàn)較高精度無(wú)損著陸等，為實(shí)施精確回收提供有效手段。美國(guó)X-38（見(jiàn)圖 2）是一種太空戰(zhàn)成員緊急逃逸飛行器（Crew Return Vehicle，CRV）原型機(jī)，按設(shè)計(jì)在下降飛行最后階段將使用大型翼傘進(jìn)行自主歸航，從而降低駕駛要求[6]。1998年3月至2001年12月，X-38共進(jìn)行8次空投試驗(yàn)，其中第8次空投使用B-52轟炸機(jī)作為載機(jī)，使用翼傘面積為697 m3，著陸點(diǎn)距離預(yù)定點(diǎn)僅360 m。

圖2 X-38翼傘降落過(guò)程Fig.2 The Recovery Procedure of X-38

1.3 返回式衛(wèi)星回收

1.3.1 固定翼飛機(jī)回收

早期部分返回式衛(wèi)星在返回過(guò)程中采用降落傘減速機(jī)動(dòng)+空中掛取方式的回收方式。1960年8月19日，一架經(jīng)過(guò)改裝的 C-119運(yùn)輸機(jī)在夏威夷附近空域回收了代號(hào)探索-14衛(wèi)星的返回膠囊（科羅納間諜衛(wèi)星的膠卷），首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星返回艙的空中回收。在空中回收任務(wù)中一架10人機(jī)組的C-119或C-130運(yùn)輸機(jī)會(huì)提前飛往膠囊預(yù)計(jì)返回空域，隨后在大約15 240 m的高度上由機(jī)組人員肉眼捕獲，之后操作員開(kāi)啟尾部艙門(mén)并釋放掛鉤，待掛住返回膠囊的降落傘后再由絞盤(pán)將整個(gè)膠囊連同降落傘一起拉入機(jī)艙。從1959年起至1972年止，科羅納間諜衛(wèi)星總共發(fā)射144次，其中102次回收成功。以KH-9系列間諜衛(wèi)星（代號(hào)：Hexagon）為例，衛(wèi)星總重（含照相裝置）11.4～13.3 t，再入返回質(zhì)量5.33 t。科羅納衛(wèi)星回收流程見(jiàn)圖3。

圖3 科羅納衛(wèi)星回收流程Fig.3 The Recovery Procedure of Keyhole Spy Satellite(CodeName Corona)

1.3.2 直升機(jī)回收

除去間諜衛(wèi)星的空中回收外，NASA也曾計(jì)劃過(guò)采用直升機(jī)進(jìn)行空中回收[7]，即太陽(yáng)風(fēng)粒子探測(cè)器起源號(hào)的返回艙。計(jì)劃中起源號(hào)會(huì)在掠過(guò)地球的時(shí)候釋放大約275 kg的樣品返回艙，預(yù)計(jì)回收地點(diǎn)為猶他州的UTTR訓(xùn)練中心。在距離地面33 km時(shí)，返回艙開(kāi)啟減速降落傘，而后在距離地面6.7 km時(shí)打開(kāi)主降落傘以穩(wěn)定返回艙的下降。在距離地面2.5 km時(shí)，改裝過(guò)的直升機(jī)將用大約5 m長(zhǎng)的鉤子鉤住主降落傘，若此高度回收失敗，第2架備用直升機(jī)將在2 km高度再次嘗試回收，2.5 km的高度足夠兩架直升機(jī)各進(jìn)行4次回收嘗試。起源號(hào)樣品返回艙再入及捕獲過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 起源號(hào)樣品返回艙再入及捕獲過(guò)程Fig.4 The Recovery Procedure of Genesis Spacecraft

1.4 火神火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)回收

在聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的火神運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)中[8]，對(duì)一級(jí)的2臺(tái)BE-4/AR-1引擎的回收采用再入防熱罩+降落傘減速+直升機(jī)空中回收方式（見(jiàn)圖5）?；鸺嬲颊麄€(gè)火箭成本的很大一部分，ULA計(jì)劃讓CH-47直升機(jī)在空中掛住引擎的降落傘，然后重復(fù)使用兩臺(tái)引擎。和法爾肯-9火箭通過(guò)引擎二次和三次點(diǎn)火讓整個(gè)箭體反向降落的方式不同，火神火箭的回收方式是在第1級(jí)引擎熄火后，發(fā)動(dòng)機(jī)整體和第1級(jí)貯箱分離，貯箱自由落體入海洋，發(fā)動(dòng)機(jī)則在前端打開(kāi)充氣減速罩進(jìn)行超聲速階段減速。待引擎模組亞聲速后再打開(kāi)降落傘，類(lèi)似科羅納衛(wèi)星返回艙的空中回收方式，回收直升機(jī)只需在引擎掉入海洋之前掛住降落傘即可。ULA之所以選擇空中回收而不是海面回收，是因?yàn)楹秃教祜w機(jī)的固體燃料火箭不同，液體燃料引擎若想復(fù)用必須保證管線不能受到海水腐蝕。

圖5 火神火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)回收示意Fig.5 The Recovery Procedure of Vulcan Launch Vehicle

1.5 小 結(jié)

從國(guó)外傘降回收的歷史看，美國(guó)和歐洲均在大型固體助推器回收和可重復(fù)使用飛行器回收方面使用了降落傘或翼傘作為減速、定點(diǎn)降落工具，但無(wú)論是在海上降落還是在陸地降落都不可避免的會(huì)對(duì)箭體造成損傷，增大了后續(xù)重復(fù)使用的維護(hù)難度。因此，美國(guó)曾在返回式衛(wèi)星回收方案及后續(xù)火神火箭重復(fù)使用方案中采用了基于固定翼飛機(jī)或直升機(jī)的空中回收方案，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，因此采用降落傘減速機(jī)動(dòng)+空中回收的總體思路在國(guó)外已經(jīng)得到了驗(yàn)證。但是由于飛機(jī)平臺(tái)存在滯空時(shí)間短、捕獲操作技術(shù)難度大、危險(xiǎn)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，因此空中回收的具體實(shí)施方案還需要另辟蹊徑。

2 基于飛艇捕獲的運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收方案

2.1 總體方案

根據(jù)對(duì)國(guó)外主要流行航天運(yùn)載器回收方案的調(diào)研，本文提出了一種基于翼傘減速機(jī)動(dòng)、使用飛艇空中捕獲的新型回收方案，回收主要流程包括：

a）用于空中攔截捕獲的飛艇群起飛，在指定攔截區(qū)域機(jī)動(dòng)停留；

b）運(yùn)載火箭起飛，飛行過(guò)程中助推器（或一級(jí)）與上面級(jí)分離，分離后根據(jù)彈道繼續(xù)飛行至高度頂點(diǎn)，之后下落；

c）下落至海拔10 km左右時(shí)，助推器（或一級(jí)）依次釋放引導(dǎo)傘、減速傘和主翼傘，實(shí)現(xiàn)在大氣中的減速；

d）助推器（或一級(jí)）進(jìn)行導(dǎo)航定位，通過(guò)歸航算法控制翼傘向指定攔阻區(qū)域機(jī)動(dòng)飛行；

e）接近攔阻區(qū)域后，助推器（或一級(jí)）通過(guò)無(wú)線通信與飛艇群進(jìn)行導(dǎo)航信息交互，助推器（或一級(jí)）根據(jù)飛艇群位置實(shí)時(shí)修正末制導(dǎo)，并修正箭體姿態(tài)；

f）飛艇群使用捕獲網(wǎng)對(duì)助推器（或一級(jí)）進(jìn)行空中攔截；

g）飛艇群攜帶助推器（或一級(jí)）返回維修基地。

圖6 基于飛艇捕獲系統(tǒng)的運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收方案示意Fig.6 The Scheme of Launch Vehicle Mid-Air Recovery Based on Interception with Airships

運(yùn)載火箭子級(jí)在分離后的再入過(guò)程中采用引導(dǎo)傘+減速傘+翼傘的大氣段減速方案，在翼傘飛行段采用自主歸航控制算法，在最終捕獲階段通過(guò)運(yùn)載器與飛艇群之間的信息交互實(shí)現(xiàn)精確捕獲，在現(xiàn)有導(dǎo)航精度和控制能力下具備對(duì)落點(diǎn)位置、落地速度的較精確控制。使用大載重量飛艇群攜帶捕獲網(wǎng)對(duì)翼傘飛行器進(jìn)行空中捕獲，具備在不同地形環(huán)境下的任務(wù)適應(yīng)性，可用于山區(qū)降落、海洋降落等傳統(tǒng)傘降方案無(wú)法實(shí)施的任務(wù)。使用柔性捕獲網(wǎng)的方案可降低接觸沖擊對(duì)箭體結(jié)構(gòu)的損壞。由于飛艇具備大航程、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、滯空時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，適用于執(zhí)行攔阻區(qū)域調(diào)整、長(zhǎng)距離捕獲、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。

2.2 翼傘飛行方案

本文采用的空中捕獲方案首先要利用具有機(jī)動(dòng)能力的翼傘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部段下落過(guò)程的落點(diǎn)可控。采用穩(wěn)定傘+減速傘+翼傘的組合回收方案，將回收部段精確飛行至飛艇回收區(qū)域，此外翼傘可控飛行系統(tǒng)具備一定范圍的落區(qū)可調(diào)能力，對(duì)下落過(guò)程干擾具備一定抵抗能力。

翼傘飛行方案過(guò)程為：運(yùn)載火箭子級(jí)分離后，返回的子級(jí)繼續(xù)慣性向上飛行，當(dāng)再入并下降至預(yù)定的開(kāi)傘高度時(shí)，進(jìn)行端頭帽分離，依次彈出穩(wěn)定傘、減速傘，實(shí)現(xiàn)助推器姿態(tài)穩(wěn)定，并使助推器的速度降低到預(yù)定值；最后，減速傘脫鉤，拉出翼傘，翼傘開(kāi)始工作：在歸航控制子系統(tǒng)的操縱控制下，將運(yùn)載火箭子級(jí)控制到預(yù)設(shè)的回收區(qū)域。

2.3 飛艇捕獲方案

飛艇是人類(lèi)第 1種可以受控進(jìn)行自由飛行的航空器。一般具有巨大的氣囊和推進(jìn)、操縱系統(tǒng)。飛艇通過(guò)向艇體氣囊中充入輕于空氣的氣體（如氦氣等）升空，用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)艇身，以尾面的操縱面或者可以轉(zhuǎn)向的推進(jìn)裝置控制航行方向。飛艇通過(guò)改變艇體內(nèi)充的氣體量、拋棄壓艙物、利用艇體和尾面產(chǎn)生氣動(dòng)升力和改變推力或拉力來(lái)控制升降。

2.3.1 飛艇捕獲過(guò)程概述

基于飛艇捕獲系統(tǒng)的運(yùn)載火箭可控回收方案中，飛艇捕獲裝置為：根據(jù)回收子級(jí)的重量和速度，由一組或幾組飛艇在預(yù)定高度和區(qū)域做位置保持，一組飛艇中，每艘飛艇由高強(qiáng)度拉索與回收網(wǎng)連接，組成空中攔索網(wǎng)，待回收子級(jí)通過(guò)翼傘控制飛向預(yù)定區(qū)域，通過(guò)飛艇和子級(jí)上的通信裝置進(jìn)行末制導(dǎo)與攔索網(wǎng)接觸捕獲，待穩(wěn)定后，飛艇組將捕獲的子級(jí)帶回回收基地著陸回收。飛艇捕獲過(guò)程見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 捕獲過(guò)程示意Fig.7 The Recovery Procedure of Interception with Airships

圖8 飛艇捕獲系統(tǒng)俯視Fig.8 The Vertical View of Interception with Airships

2.3.2 飛艇工作流程

根據(jù)彈道計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)飛艇張網(wǎng)回收的高度和區(qū)域，飛艇從機(jī)庫(kù)起飛運(yùn)動(dòng)至預(yù)定高度和區(qū)域，并在該區(qū)域以低精度做區(qū)域位置保持。

火箭準(zhǔn)備點(diǎn)火前，根據(jù)工作流程，飛艇協(xié)作張網(wǎng)完畢，通信裝置信標(biāo)機(jī)開(kāi)始工作，可以根據(jù)最后彈道重新規(guī)劃飛艇捕獲區(qū)，進(jìn)行小范圍聯(lián)合機(jī)動(dòng)并做較高精度的位置保持，考慮到飛艇的移動(dòng)速度，單艇速度一般不超過(guò)100 km/h，多艇組合速度更慢，機(jī)動(dòng)范圍有限。

火箭起飛后，飛艇與地面通信，保持位置，做好捕獲準(zhǔn)備。

待回收子級(jí)分離后，通過(guò)翼傘控制飛向預(yù)定區(qū)域，子級(jí)和飛艇上的通信裝置通信進(jìn)行末修制導(dǎo)，引導(dǎo)子級(jí)精準(zhǔn)飛向飛艇預(yù)定捕獲區(qū)域。

雙方位置、速度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，待回收子級(jí)做一次箭體姿態(tài)修正以降低著網(wǎng)沖擊，之后與攔索網(wǎng)接觸并被攔索捕獲，飛艇開(kāi)始升高以保持對(duì)地高度。

飛艇捕獲網(wǎng)上安裝醒目的末制導(dǎo)識(shí)別標(biāo)志供觸網(wǎng)識(shí)別用。需要的時(shí)候，控制人員可乘坐載人飛艇在捕獲目的地附近與飛艇通信，必要時(shí)候接管飛艇控制權(quán)。待回收子級(jí)上安裝通信裝置與攝像裝置，控制人員與子級(jí)建立通信后，通過(guò)攝像和通信裝置與子級(jí)通信，目視控制子級(jí)翼傘飛行。攔截載荷后飛艇迅速拋棄壓艙物釋放浮力，同時(shí)強(qiáng)度索與飛艇連接處的應(yīng)力釋放裝置可以緩釋下墜力量并回收下墜能量充電供飛艇使用。

子級(jí)和飛艇組的聯(lián)合體在從接觸到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，飛艇需要克服沖擊帶來(lái)的快速下降和飛艇組之間距離靠近的趨勢(shì)，前者可通過(guò)飛艇升高機(jī)動(dòng)來(lái)保持，后者考慮通過(guò)飛艇的空中組合裝置，組成組合飛艇。飛艇的飛行方向應(yīng)與子級(jí)的飛行方向一致，以降低飛行難度。

動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，飛艇可以開(kāi)始飛行，將回收子級(jí)空中運(yùn)輸帶回回收地著陸回收。飛艇按照勻速飛行，提前12 h起飛，起飛及飛行期間風(fēng)速不大于約15 m/s，在指定目的地維持位置待機(jī)，空中待機(jī)時(shí)間不小于7天，待回收完成后，前往最近回收基地，視情況，在24 h之內(nèi)返回回收基地。

2.3.3 大載重量飛艇

根據(jù)調(diào)研，國(guó)外飛艇的載重能力較高，如英國(guó)的Airlander10飛艇，全長(zhǎng)92 m，載重可以達(dá)到10 t（見(jiàn)圖9）。洛·馬公司的先進(jìn)發(fā)展工程部（臭鼬工程部）早在2000年之前就開(kāi)始秘密啟動(dòng)混合型大型飛艇的研制項(xiàng)目，目前已經(jīng)制造了一種原型飛艇（見(jiàn)圖10），稱(chēng)為P-791，并在2007年1月31日進(jìn)行了首飛，成功完成繞場(chǎng)一周的飛行，但是關(guān)于它的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)仍處于保密之中。中國(guó)飛艇研制單位有中電38所和中航工業(yè)特飛所。經(jīng)調(diào)研，運(yùn)載能力與國(guó)外相比尚有差距。但也在與國(guó)外聯(lián)合研制高載重浮空平臺(tái)。中電38所與英國(guó)Air Lander10的研制公司正在開(kāi)展合作，2015年，在李克強(qiáng)總理訪問(wèn)法國(guó)期間，中航工業(yè)通飛與法國(guó)飛鯨控股公司在法國(guó)圖盧茲簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，開(kāi)展60 t重載飛艇項(xiàng)目合作。

圖9 Air Lander10飛艇Fig.9 Air Lander10 Airship

圖10 洛·馬公司原形飛艇效果Fig.10 Lockheed-Martin Protoype Airship

2.3.4 攔阻網(wǎng)系統(tǒng)

假設(shè)運(yùn)載火箭回收子級(jí)重量20 t、箭體直徑3 m、箭體長(zhǎng)度30 m，觸網(wǎng)時(shí)箭體合成速度＜30 m/s，垂直速度＜20 m/s。如果按照飛機(jī)尼龍攔阻網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，飛艇攔阻網(wǎng)重量過(guò)大，需要考慮凱夫拉更輕的復(fù)合材料或者混合材料。

針對(duì)運(yùn)載火箭子級(jí)觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，采用雙層凱夫拉材質(zhì)的攔阻網(wǎng)進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果如下：

a）攔阻網(wǎng)模型：模擬攔阻網(wǎng)，四角三自由度固定，網(wǎng)材料設(shè)置為雙層凱夫拉-49纖維，凱夫拉-49材料屬性為拉伸強(qiáng)度380 MPa、模量127 GPa、延伸率2.4。

b）箭體模型：模擬箭體以垂直姿態(tài)降落回收，待回收的箭體截面積3 m×3 m，質(zhì)量20 t，初速度Y向30 m/s撞向網(wǎng)，初始位置距離網(wǎng)0.05 m；為模擬箭體和網(wǎng)接觸過(guò)程中可能發(fā)生的姿態(tài)變化，認(rèn)為設(shè)定撞擊點(diǎn)偏離網(wǎng)中心0.2 m。

圖11為回收子級(jí)落入攔阻網(wǎng)沖擊仿真建模。仿真結(jié)果證明攔阻網(wǎng)強(qiáng)度能夠承受沖擊，未發(fā)生擊穿。圖12為回收子級(jí)落網(wǎng)過(guò)程中各方向承受的撞擊載荷仿真結(jié)果?？梢钥闯觯矒糨d荷時(shí)間歷程表明 Y方向?yàn)樽矒糁鞣较颍?Y方向瞬態(tài)沖擊峰值約6500 kN，但經(jīng)過(guò)0.08 s后就衰減至1700 kN以下。X方向和Z方向的瞬態(tài)沖擊峰值約1200 kN，產(chǎn)生沖擊的主要原因?yàn)樽矒暨^(guò)程中箭體發(fā)生了傾斜。

關(guān)于攔截網(wǎng)質(zhì)量估算，纖維材料鋪設(shè)的網(wǎng)有空隙，不同材料纖度不同，編織密度、鋪設(shè)方式也不盡相同。根據(jù)目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的雙層凱夫拉材料參數(shù)，其單位面積的質(zhì)量約為200 g。所采用的攔阻網(wǎng)面積需要與翼傘歸航控制的能力相匹配，如果采用200 m×200 m的攔截網(wǎng)質(zhì)量估算約為8 t。

圖11 回收子級(jí)落入攔阻網(wǎng)沖擊仿真結(jié)果Fig.11 The Simulation Results of Impinging on the Arresting Net

圖12 落網(wǎng)過(guò)程各方向載荷計(jì)算結(jié)果Fig.12 The Simulation Results of Impact Load in Different Directions

續(xù)圖12

2.4 飛行控制方案

運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收飛行控制系統(tǒng)主要由歸航控制系統(tǒng)、伺服操作系統(tǒng)、末端精確導(dǎo)引系統(tǒng)組成，其中歸航控制系統(tǒng)和伺服操作系統(tǒng)布置在火箭子級(jí)上，末端精確導(dǎo)引系統(tǒng)布置在飛艇上，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖13。

a）歸航控制子系統(tǒng)。

火箭子級(jí)分離后，歸航控制子系統(tǒng)采用“MEMS慣導(dǎo)+GPS”的組合導(dǎo)航方式，實(shí)時(shí)計(jì)算自身位置、姿態(tài)信息，通過(guò)與預(yù)置的飛艇待機(jī)位置坐標(biāo)比對(duì)，輸出翼傘控制指令，概略導(dǎo)引火箭子級(jí)飛向飛艇的待機(jī)區(qū)域。進(jìn)入飛艇待機(jī)區(qū)域后，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳裝置接收飛艇上末端精確導(dǎo)引系統(tǒng)發(fā)出的精確導(dǎo)引指令，控制火箭子級(jí)精確落入飛艇的捕獲裝置。

圖13 火箭子級(jí)可控回收飛行控制分系統(tǒng)組成Fig.13 System Compostion of the Flight Control Subsystem of Controlled Safety Recovery for Launch Vehicle

b）伺服操縱子系統(tǒng)。

伺服操縱子系統(tǒng)包括直流力矩電機(jī)（含制動(dòng)功能模塊及驅(qū)動(dòng)器）和伺服操縱機(jī)構(gòu)。伺服操縱機(jī)構(gòu)與翼傘的操縱繩連接，分成左拉、右拉兩套，通過(guò)控制伺服電機(jī)對(duì)翼傘操縱繩的拉伸長(zhǎng)度來(lái)拉動(dòng)翼傘后緣，產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎的氣動(dòng)力矩及雀降機(jī)動(dòng)。

c）末端導(dǎo)引子系統(tǒng)。

末端導(dǎo)引子系統(tǒng)布置在飛艇上，主要包括 CCD/紅外成像系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)、信息處理及無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)。飛艇上的末端導(dǎo)引子系統(tǒng)通過(guò)CCD成像系統(tǒng)和紅外成像系統(tǒng)搜索歸航的火箭子級(jí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后通過(guò)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)控制攝像機(jī)跟蹤火箭子級(jí)并使用激光測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距，將目標(biāo)的方位、圖像等信息送入信息處理系統(tǒng)，處理后，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將火箭相對(duì)飛艇捕獲網(wǎng)的精確橫、縱向偏差量上傳給火箭歸航控制子系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 大載重量飛艇

本方案中對(duì)飛艇的載重能力要求較高，待回收子級(jí)重達(dá)20 t，長(zhǎng)約32 m，初步估算，如果采用4艘飛艇編隊(duì)進(jìn)行捕獲，單臺(tái)飛艇的最低載重量要求10 t。目前中國(guó)尚無(wú)成熟產(chǎn)品，需引進(jìn)或租賃國(guó)外大載重量飛艇，或在中國(guó)組織研制。出于成本和進(jìn)度的考慮，從國(guó)外租賃現(xiàn)有飛艇更為可行。

3.2 飛艇組合編隊(duì)

現(xiàn)有方案需要多艇協(xié)調(diào)飛行，目前飛艇多艇協(xié)調(diào)基本以通信協(xié)調(diào)共同完成工作為主，其中涉及到飛艇的編隊(duì)起飛、同步飛行、張網(wǎng)及捕獲后的同步返回、降落等。此外，從觸網(wǎng)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程飛艇編隊(duì)需要保持姿態(tài)穩(wěn)定飛行，緩沖子級(jí)下落和前沖的能量，同時(shí)還需要保持自身的協(xié)調(diào)，水平方向上需要考慮飛艇的對(duì)接或者對(duì)抗子級(jí)重力水平分量的方法。

3.3 輕質(zhì)高強(qiáng)度捕獲網(wǎng)

捕獲網(wǎng)的設(shè)計(jì)可以參考飛機(jī)攔阻網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)度要求低于飛機(jī)攔阻網(wǎng)，但對(duì)于輕質(zhì)化要求較高，實(shí)現(xiàn)大尺寸下的捕獲網(wǎng)重量滿(mǎn)足要求，需考慮較輕的復(fù)合材料或者混合材料。

3.4 高精度歸航控制

飛艇捕獲過(guò)程中需要對(duì)落點(diǎn)位置進(jìn)行高精度控制。一方面運(yùn)載火箭子級(jí)通過(guò)末制導(dǎo)進(jìn)行定位，通過(guò)翼傘進(jìn)行飛行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)落點(diǎn)的高精度控制。另一方面，飛艇浮空的位置保持精度對(duì)捕獲影響很大，且精度還會(huì)影響捕獲網(wǎng)的面積，同時(shí)影響飛艇的實(shí)用載重。

4 方案對(duì)比分析

4.1 對(duì)運(yùn)載能力的影響

a）對(duì)于垂直返回方式，運(yùn)載火箭子級(jí)在分離時(shí)，貯箱中需要保留一定的推進(jìn)劑，以用于返回過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火減速，這對(duì)火箭運(yùn)載能力損失較大；對(duì)于返回原場(chǎng)的垂直返回回收，由于需要做橫向機(jī)動(dòng)，火箭的運(yùn)載能力損失將進(jìn)一步加大，初步分析表明損失幅度能達(dá)到50%以上，最高甚至達(dá)到90%；對(duì)于不返回原場(chǎng)，不需要橫向掉頭的，其推進(jìn)劑消耗量較小，但損失也能達(dá)到 20%以上。對(duì)于垂直返回回收方式，子級(jí)需要加裝制導(dǎo)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)、貯箱推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、熱防護(hù)系統(tǒng)、著陸支撐機(jī)構(gòu)等，也會(huì)對(duì)運(yùn)載能力產(chǎn)生一定影響。

b）對(duì)于純翼傘回收方式，運(yùn)載火箭子級(jí)需要增加降落傘系統(tǒng)和緩沖氣囊系統(tǒng)，同時(shí)，地面著陸回收對(duì)于一子級(jí)的落區(qū)有要求，使得一子級(jí)飛行彈道不一定能夠按照最優(yōu)飛行彈道設(shè)計(jì)，會(huì)造成一定的運(yùn)載能力損失。傘降回收分為返回原場(chǎng)與不返回原場(chǎng)兩種：不返回原場(chǎng)，無(wú)須進(jìn)行大范圍橫向減速，通過(guò)初步分析表明傘降回收對(duì)運(yùn)載能力損失一般不超過(guò)不回收狀態(tài)的6%；當(dāng)需要返回原場(chǎng)時(shí)，需要做橫向機(jī)動(dòng)，最后垂直方向減速靠降落傘作用，通過(guò)初步分析表明返回原場(chǎng)對(duì)運(yùn)載能力損失較大，能夠達(dá)到30%以上。

c）對(duì)于本文提出的回收方式，相比純翼傘回收方式，由于落區(qū)的要求可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)整，釋放由于落區(qū)限制對(duì)運(yùn)載能力的損失；并且箭上無(wú)需增加傘降方式的落地緩沖裝置，因此定性分析對(duì)運(yùn)載能力的損失進(jìn)一步降低。

綜合來(lái)看，上述回收方式對(duì)運(yùn)載能力損失從大到小依次為垂直返回＞純翼傘回收＞本文方案。

4.2 對(duì)總體設(shè)計(jì)布局的影響

a）對(duì)于垂直返回方式，總體設(shè)計(jì)布局方面需要提供著陸支撐機(jī)構(gòu)的安裝空間。在箭體結(jié)構(gòu)的尾艙外安裝著陸支撐機(jī)構(gòu)，上升過(guò)程中為折疊狀態(tài)，返回過(guò)程展開(kāi)。此外，貯箱內(nèi)部增加推進(jìn)劑管理系統(tǒng)，對(duì)返回過(guò)程中推進(jìn)劑進(jìn)行管理。

b）采用純翼傘回收方式，運(yùn)載火箭子級(jí)需要提供降落傘系統(tǒng)和緩沖氣囊的安裝布局空間。降落傘系統(tǒng)一般布置在級(jí)間段位置，緩沖氣囊一般采用前后布局方案，可布置在級(jí)間段、箱間段、后過(guò)渡段等位置。緩沖氣囊上升段是折疊狀態(tài)，位于火箭艙內(nèi)，降落過(guò)程中需要充氣展開(kāi)，并彈開(kāi)艙蓋，充氣展開(kāi)后將位于艙外。為便于著陸，降落過(guò)程中子級(jí)姿態(tài)可由垂直姿態(tài)轉(zhuǎn)換為水平姿態(tài)，降落傘需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換吊掛，箭體結(jié)構(gòu)需要提供吊掛點(diǎn)，并預(yù)埋吊線。

c）對(duì)于本方案的回收方式，對(duì)總體設(shè)計(jì)布局的影響基本同純翼傘方式。

因此，傘降回收和垂直返回對(duì)于運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)布局都有一定影響，但影響都較小。

4.3 回收過(guò)程復(fù)雜性

a）對(duì)于垂直返回方式，由于采用多種控制設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)著陸地點(diǎn)的精確控制，能夠很好地控制子級(jí)回收落點(diǎn)位置，無(wú)需開(kāi)展子級(jí)降落后的搜索。對(duì)于傘降回收方式，無(wú)論是返回原場(chǎng)還是不返回原場(chǎng)，由于降落傘控制精度較低，其落區(qū)范圍較大，即使采用了落點(diǎn)精度較好的翼傘回收，其落區(qū)范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)還是同樣較大，需要開(kāi)展一定的子級(jí)降落后的搜索工作。

b）對(duì)于純翼傘回收方式，無(wú)論是陸地回收，還是海上回收，國(guó)際上都有一子級(jí)和助推器回收的成功經(jīng)驗(yàn)，其主要難度在于降落傘和著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)。

c）對(duì)于本方案的回收方式，與純翼傘方式類(lèi)似，利用網(wǎng)式裝置可以降低對(duì)著陸緩沖裝置的要求，因此本方案的技術(shù)難度可以進(jìn)一步降低。

對(duì)于本方案的回收方式，通過(guò)靈活調(diào)整落區(qū)要求，聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)降落傘的控制精度和飛艇的移動(dòng)能力，一旦成功捕獲，可將回收的子級(jí)直接轉(zhuǎn)運(yùn)至指定地點(diǎn)，簡(jiǎn)化了子級(jí)降落后的地面搜索工作。

5 方案適應(yīng)性分析

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，在運(yùn)載火箭助推器和一級(jí)分離后利用引導(dǎo)傘、減速傘和翼傘完成回收部段的減速和制導(dǎo)功能，回收部段降落到一定高度后利用飛艇進(jìn)行空中捕獲并完成回收。該方案在前期已有較好的研究基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外均已開(kāi)展的相關(guān)研究，并取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破。

此外飛艇本身具備一定的機(jī)動(dòng)能力，可以在山區(qū)、河流、海洋等不利于垂直回收、飛回式或是直接傘降回收的區(qū)域執(zhí)行回收任務(wù)，這在一定程度上提高了方案的適應(yīng)性。但考慮到飛艇回收的航程、升限、張網(wǎng)強(qiáng)度和大小等因素，仍然對(duì)方案適應(yīng)性具有一定約束。此外，由于飛艇升限的限制對(duì)部段回收落區(qū)的海拔有較為嚴(yán)格的要求，不適合在高海拔地區(qū)工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收的需求，本文提出了一種基于翼傘減速機(jī)動(dòng)、使用飛艇空中捕獲的新型回收方案，完成了翼傘段飛行方案設(shè)計(jì)，飛艇捕獲裝置方案設(shè)計(jì)以及飛行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。采用飛艇捕獲系統(tǒng)進(jìn)行空中回收避免了陸地回收的地形影響和著陸沖擊、也避免了海上回收的高濕、高鹽海水的影響，提升了重復(fù)使用性。通過(guò)方案設(shè)計(jì)與仿真分析，基于飛艇捕獲系統(tǒng)的運(yùn)載火箭子級(jí)可控回收方案技術(shù)原理可行，對(duì)火箭運(yùn)載能力和原有設(shè)計(jì)布局的影響較小，具備后續(xù)工程研制和應(yīng)用的潛力。針對(duì)上述方案，后續(xù)將針對(duì)翼傘的歸航控制、飛艇群的協(xié)同工作、返回全程仿真進(jìn)一步開(kāi)展研究。

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