雷江利 牟金崗 趙廣秀 李朋迪

（1 北京空間機(jī)電研究所 2 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）

近年來(lái)，美、俄等國(guó)均在加緊研制功能和性能更強(qiáng)的新一代載人飛船，瞄準(zhǔn)載人深空探測(cè)、空間站服務(wù)、深空居住等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“多用途乘員飛行器”（MPCV）、太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“載人龍”飛船（Crew Dragon）、波音公司（Boeing）的“星際客船”（Starliner）飛船以及俄羅斯與歐洲合作研制的新型“未來(lái)載人運(yùn)輸系統(tǒng)”（PPTS）。在著陸方式上，“多用途乘員飛行器”和“載人龍”飛船選擇了以傾斜姿態(tài)水面直接濺落的方式，而“星際客船”的氣囊緩沖方案則能夠同時(shí)適應(yīng)著陸和著水兩種方式[1-2]。

我國(guó)新一代載人飛船采用全新的氣動(dòng)外型返回艙，全面兼顧近地軌道自主飛行、空間站運(yùn)營(yíng)、載人登月、深空探測(cè)等多種飛行任務(wù)，采用群傘系統(tǒng)氣動(dòng)減速和大載重氣囊著陸緩沖的減速著陸方案。通過(guò)配置不同的服務(wù)艙模塊，可以滿足多任務(wù)目標(biāo)，具備人員往返、貨物運(yùn)輸?shù)榷喾N用途，預(yù)計(jì)2026年前后將具備載人飛行能力。新一代載人飛船試驗(yàn)船搭載長(zhǎng)征五號(hào)B（CZ－5B）運(yùn)載火箭成功完成了飛行試驗(yàn)任務(wù)，為我國(guó)后續(xù)新飛船的研制立項(xiàng)和方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支撐。

1 回收著陸系統(tǒng)概況

從航天器系統(tǒng)組成角度來(lái)看，在大氣層內(nèi)利用降落傘進(jìn)行減速的部分均可稱為降落傘減速系統(tǒng)，利用著陸緩沖裝置進(jìn)行緩沖著陸的部分均可稱為著陸緩沖系統(tǒng)，兩者統(tǒng)稱為減速著陸系統(tǒng)。而對(duì)于載人飛船，負(fù)責(zé)飛船返回艙減速著陸的系統(tǒng)通常也可稱為回收著陸系統(tǒng)。減速著陸是載人航天活動(dòng)的最后步驟，也是載人航天任務(wù)成敗的最終標(biāo)志，負(fù)責(zé)飛船減速著陸的回收著陸系統(tǒng)是載人飛船最為關(guān)鍵的分系統(tǒng)之一[3]。

新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)從2016年初開(kāi)始研制，到2019年底歷時(shí)約4年完成了相關(guān)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，并出廠參加飛行試驗(yàn)。研制過(guò)程采用了一步正樣、分類管理的全新模式，先后攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，初步掌握了大型群傘系統(tǒng)氣動(dòng)減速、大載重主動(dòng)排氣式組合氣囊著陸緩沖、大型返回艙模型吊掛式空投試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了目前國(guó)內(nèi)回收質(zhì)量最大、著陸速度最低、系統(tǒng)組成和工作程序最復(fù)雜的一套載人航天器回收著陸系統(tǒng)，主要由控制子系統(tǒng)、降落傘子系統(tǒng)、火工裝置子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、著陸緩沖子系統(tǒng)、標(biāo)位子系統(tǒng)產(chǎn)品以及控制軟件組成。

回收著陸系統(tǒng)加電啟動(dòng)后由控制子系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判斷，選擇相應(yīng)的工作程序。首先將降落傘連接分離機(jī)構(gòu)艙蓋以一定的分離速度彈射出去，隨后彈射打開(kāi)兩具減速傘；減速傘開(kāi)傘后先后解除二級(jí)收口并充氣至全張滿狀態(tài)，返回艙下降到一定高度后主傘艙蓋解除約束、減速傘與返回艙分離將主傘拉出，主傘開(kāi)傘后先后解除二級(jí)收口并充氣至全張滿狀態(tài)。返回艙乘主傘穩(wěn)定下降至一定高度時(shí)拋掉防熱大底，然后轉(zhuǎn)換為雙點(diǎn)吊掛狀態(tài)，為緩沖氣囊工作創(chuàng)造條件。在預(yù)定的高度，緩沖氣囊開(kāi)始充氣展開(kāi)，隨后著陸敏感器加電工作并實(shí)時(shí)判斷返回艙的狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出緩沖氣囊排氣和著陸信號(hào)。

2 回收著陸系統(tǒng)任務(wù)與功能

新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)的任務(wù)主要包括兩個(gè)方面：

1）通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)，利用降落傘減速裝置，實(shí)現(xiàn)返回艙在再入大氣末段的氣動(dòng)減速，通過(guò)著陸緩沖手段，保證返回艙以規(guī)定速度及過(guò)載安全著陸地面，落地后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫主傘。

回收著陸系統(tǒng)主要工作過(guò)程示意圖

2）通過(guò)閃光標(biāo)位手段，為返回艙提供標(biāo)位功能，提供地面搜索信號(hào)。根據(jù)上述任務(wù)要求，回收著陸系統(tǒng)啟動(dòng)后正常情況下按照正?；厥罩懗绦蚬ぷ?，能夠自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)故障并進(jìn)行處置；通過(guò)群傘系統(tǒng)使進(jìn)入稠密大氣層并已達(dá)到穩(wěn)定下降速度的返回艙進(jìn)一步減速，保證返回艙下降速度滿足著陸緩沖氣囊的工作要求；返回艙著陸時(shí)采用氣囊緩沖裝置將乘降落傘下降的返回艙再次制動(dòng)，并確保著陸沖擊過(guò)載滿足要求，最大限度保障返回艙結(jié)構(gòu)完好，滿足可重復(fù)使用需求；同時(shí)確保著陸前正常工作的傘系不會(huì)自動(dòng)脫傘，著陸后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫主傘；返回艙落地后通過(guò)閃光標(biāo)位手段，為返回艙提供標(biāo)位功能，提供地面搜索信號(hào)。

新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、著陸緩沖、氣動(dòng)減速、自動(dòng)脫傘、標(biāo)位搜尋五大功能。

回收著陸系統(tǒng)功能組成示意圖

3 回收著陸系統(tǒng)工作及任務(wù)特點(diǎn)

工作特點(diǎn)

回收著陸系統(tǒng)的工作表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：①系統(tǒng)必須具有高可靠性；②工作必須具有自主性；③工作過(guò)程具有不可逆性；④與航天器總體關(guān)系密切；⑤產(chǎn)品要經(jīng)受整個(gè)飛行環(huán)境的考驗(yàn)；⑥工作受其他系統(tǒng)影響大；⑦一次性工作的產(chǎn)品比較多，如降落傘產(chǎn)品、火工裝置產(chǎn)品、緩沖氣囊產(chǎn)品等[4-5]。

另外，載人飛船回收著陸系統(tǒng)的工作成敗直接關(guān)系到航天員的生命安全。由于飛船返回艙在返回過(guò)程中處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作過(guò)程是由一系列不可逆的按時(shí)序執(zhí)行的動(dòng)作所組成，因此工作程序需要適應(yīng)多種狀態(tài)，而且回收著陸系統(tǒng)工作時(shí)高度相對(duì)較低（一般在10km以下啟動(dòng)），一旦回收著陸系統(tǒng)在工作過(guò)程中出現(xiàn)故障征兆，外界無(wú)法有足夠的時(shí)間采取營(yíng)救措施，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性冗余設(shè)計(jì)、故障模式識(shí)別和故障容限能力具有較高要求。此外，由于控制器和時(shí)間控制器之間既不同于并聯(lián)關(guān)系又有別于冷儲(chǔ)備關(guān)系，高度控制器之間也不是簡(jiǎn)單的并聯(lián)關(guān)系，以及降落傘系統(tǒng)組成和工作過(guò)程的復(fù)雜性，導(dǎo)致回收著陸系統(tǒng)的可靠性冗余設(shè)計(jì)和評(píng)估存在其獨(dú)有的特殊性和評(píng)估方法[6-7]。

基于以上工作特點(diǎn)，新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)在可靠性設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注頂層設(shè)計(jì)，首先在系統(tǒng)層面開(kāi)展冗余設(shè)計(jì)，確保回收系統(tǒng)固有可靠性，并主要從工作程序可靠性、關(guān)鍵環(huán)節(jié)可靠性、單機(jī)產(chǎn)品可靠性等多個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

任務(wù)特點(diǎn)

根據(jù)新一代載人飛船的需求目標(biāo)和約束條件，在總體層面進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)出滿足目標(biāo)和約束的回收著陸系統(tǒng)，包括初始條件和要求、終端條件和要求、系統(tǒng)基本配置和布局約束條件等[5]。需求和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)在約束條件下反復(fù)進(jìn)行迭代分析、比較和權(quán)衡，包括經(jīng)費(fèi)約束、進(jìn)度約束、技術(shù)約束以及政治條件和政策安排等[8]。此外，回收著陸系統(tǒng)降落傘、緩沖氣囊等柔性產(chǎn)品的加工精度具有較大的離散性，并且真實(shí)狀態(tài)的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬較為困難，同時(shí)飛行試驗(yàn)邊界條件具有較大的不確定性，而降落傘系統(tǒng)發(fā)生失效的后果則具有很高的致命性。

與“神舟”飛船返回艙不同，新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙采用了密封艙和非密封艙相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)飛船設(shè)備安裝布局，回收著陸系統(tǒng)的產(chǎn)品均安裝在非密封艙內(nèi)，因此產(chǎn)品在發(fā)射、在軌運(yùn)行和返回再入段會(huì)經(jīng)受復(fù)雜多變的大氣壓力環(huán)境，降落傘和緩沖氣囊屬于采用壓力包裝的柔性裝置產(chǎn)品，因此在折疊包裝和安裝布局設(shè)計(jì)時(shí)均需要考慮到外界環(huán)境壓力變化對(duì)產(chǎn)品安裝和工作特性可能造成的影響。

（1）降落傘系統(tǒng)特點(diǎn)

與單傘系統(tǒng)相比，群傘系統(tǒng)工作時(shí)的拉直開(kāi)傘、充氣展開(kāi)過(guò)程、各級(jí)開(kāi)傘載荷、艙傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)均呈現(xiàn)出不同的特性，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各傘之間的開(kāi)傘不同步、相互纏繞、流場(chǎng)耦合干擾等因素。同時(shí)，群傘系統(tǒng)熱備份的工作方式、失效機(jī)理、故障模式和可靠性冗余設(shè)計(jì)思路與“神舟”飛船主備兩套系統(tǒng)冷備份的方式也有較大區(qū)別。

降落傘系統(tǒng)的工作直接關(guān)系到試驗(yàn)船返回艙能否安全著陸，因此對(duì)降落傘系統(tǒng)的工作可靠性要求很高。盡管有“神舟”飛船降落傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，但由于新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙的安裝布局、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、質(zhì)量特性、工作條件等均發(fā)生了很大變化，而且受到質(zhì)量與體積的限制、返回艙布局構(gòu)型的約束，與“神舟”飛船降落傘系統(tǒng)集中式安裝布局不同。新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙減速傘組件布局在返回艙上部、主傘組件布局在返回艙下部，這種分布式布局方案使降落傘系統(tǒng)的開(kāi)傘方式、工作程序、艙傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及其設(shè)計(jì)都具有獨(dú)特的特點(diǎn)。

（2）著陸緩沖系統(tǒng)特點(diǎn)

針對(duì)新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙重復(fù)使用的需求，著陸緩沖過(guò)程中和緩沖結(jié)束后均應(yīng)避免返回艙大底和結(jié)構(gòu)接觸到地面。因此，氣囊排氣后應(yīng)對(duì)返回艙形成有效的支撐，即緩沖氣囊需要采用多腔體的設(shè)計(jì)方案，既要保證著陸緩沖過(guò)載滿足要求，又要避免艙體反彈造成結(jié)構(gòu)損傷或者傾倒，氣囊的排氣時(shí)機(jī)選擇和排氣參數(shù)設(shè)置尤為重要。

此外，為了避免在較大的水平速度下著陸緩沖時(shí)返回艙出現(xiàn)側(cè)翻的現(xiàn)象，應(yīng)重點(diǎn)考慮著陸緩沖過(guò)程中的穩(wěn)定性，需要采用能夠適應(yīng)不同著陸地形、返回艙著陸姿態(tài)等復(fù)雜工況的排氣控制策略。

4 技術(shù)特點(diǎn)及性能評(píng)估

1）新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)回收質(zhì)量最大、著陸速度最低、系統(tǒng)組成和工作程序最復(fù)雜的一套載人航天器回收著陸系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)載人航天器回收領(lǐng)域首次采用群傘系統(tǒng)氣動(dòng)減速和大載重氣囊著陸緩沖的方案，實(shí)現(xiàn)了返回艙無(wú)損著陸回收。主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了大載重氣囊緩沖技術(shù)的國(guó)內(nèi)空白。

2）綜合考慮整船的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，采用分布式布局下的減速傘單獨(dú)彈射開(kāi)傘與主傘組件集群式開(kāi)傘相結(jié)合的方案，以及開(kāi)傘過(guò)程分析與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整船質(zhì)量和質(zhì)心特性最優(yōu)化配置；緩沖氣囊采用組合式結(jié)構(gòu)，同步實(shí)現(xiàn)返回艙著陸緩沖和支撐保護(hù)功能，氣囊采用結(jié)構(gòu)賦型設(shè)計(jì)技術(shù)，提高載荷傳遞效率，控制著陸沖擊過(guò)載，結(jié)合基于分布式過(guò)載信號(hào)的氣囊主動(dòng)排氣控制策略，實(shí)現(xiàn)了大質(zhì)量返回艙無(wú)損回收，為整船的重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。

3）減速傘及主傘系統(tǒng)均采用熱備份冗余設(shè)計(jì)方案。在降落傘連接分離機(jī)構(gòu)艙蓋彈射和主傘艙蓋解鎖分離環(huán)節(jié)，均采用了全新的冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，在滿足彈射速度指標(biāo)、連接力和沖擊載荷指標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常和故障模式下的艙蓋彈射分離。

4）通過(guò)降落傘連接分離機(jī)構(gòu)多模式連接與分離方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減速傘正常連接與分離、故障模式下的故障隔離和冗余分離、著陸和著水模式下的返回艙垂掛轉(zhuǎn)換及脫主傘等功能，是目前功能最復(fù)雜、集成度最高、承受沖擊載荷能力最強(qiáng)的一套載人航天器用多模式降落傘連接分離機(jī)構(gòu)。

5）群傘系統(tǒng)多級(jí)收口工作特性、載荷特點(diǎn)與單傘、單級(jí)收口方式區(qū)別較大，通過(guò)采用多級(jí)收口方案、收口繩狀態(tài)約束及解除控制技術(shù)，達(dá)到了群傘系統(tǒng)充氣展開(kāi)和載荷控制的目的，實(shí)現(xiàn)了降落傘各級(jí)開(kāi)傘過(guò)載的一致性均衡控制。

6）充分將物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相結(jié)合，優(yōu)化試驗(yàn)方案和流程。通過(guò)試驗(yàn)實(shí)施掌握了大型試驗(yàn)過(guò)程沖擊載荷控制、直升機(jī)外掛起飛與投放控制技術(shù)，大尺寸、大質(zhì)量的返回艙試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

7）閃光標(biāo)位器、時(shí)間控制器、壓力傳感器等部分產(chǎn)品采用了“神舟”飛船飛行試驗(yàn)的返回件，對(duì)飛行產(chǎn)品重復(fù)使用的模式進(jìn)行了初步的探索和研究，為后續(xù)新一代載人飛船的重復(fù)使用積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論與建議

進(jìn)入、減速與著陸過(guò)程是載人深空探測(cè)任務(wù)的最后步驟，回收著陸系統(tǒng)能否正常工作是確保航天員安全返回的關(guān)鍵，也是載人深空探測(cè)任務(wù)成敗的最終標(biāo)志。結(jié)合目前深空探測(cè)任務(wù)呈現(xiàn)出的特點(diǎn)，我國(guó)后續(xù)在新一代載人飛船回收著陸系統(tǒng)的研制中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面，針對(duì)性地開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)：

1）對(duì)返回艙重復(fù)使用和著陸穩(wěn)定性提出了更高的要求。應(yīng)盡量避免返回艙傾倒和結(jié)構(gòu)受損，回收著陸系統(tǒng)降落傘、氣囊產(chǎn)品也應(yīng)開(kāi)展重復(fù)使用所涉及的無(wú)損檢測(cè)、狀態(tài)修復(fù)、性能評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)研究?；厥罩懴到y(tǒng)要能夠適應(yīng)不同任務(wù)、不同返回模式的需求，通過(guò)快速響應(yīng)和迭代組成不同數(shù)量和規(guī)模的群傘減速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同任務(wù)的最佳優(yōu)化組合配置。

2）僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和環(huán)境模擬試驗(yàn)并不能徹底解決所有關(guān)鍵技術(shù)并最大限度降低風(fēng)險(xiǎn)，基于高空氣球和高性能大型運(yùn)輸機(jī)模擬真實(shí)條件試驗(yàn)驗(yàn)證的能力是一個(gè)關(guān)鍵。新一代載人飛船大尺寸、大質(zhì)量返回艙對(duì)試驗(yàn)的平臺(tái)設(shè)備、試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)提出了更高的要求，如何更真實(shí)地模擬地面著陸環(huán)境、返回艙著陸姿態(tài)、降落傘開(kāi)傘條件等試驗(yàn)技術(shù)研究，對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證的充分性和有效性至關(guān)重要，同時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)縮比等效準(zhǔn)則、可靠性驗(yàn)證方法和評(píng)估理論開(kāi)展深入研究，優(yōu)化試驗(yàn)方案并提高驗(yàn)證效率。

3）為適應(yīng)大質(zhì)量返回艙減速的需求，需要掌握群傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法。利用新發(fā)展的降落傘流固耦合仿真及動(dòng)力學(xué)建模仿真理論和方法，研究群傘的工作特性，研發(fā)高可靠、高性能的群傘減速系統(tǒng)，提高降落傘減速的可靠性。目前，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究尚處于起步階段，需開(kāi)展深入的基礎(chǔ)理論研究，突破群傘系統(tǒng)建模和分析技術(shù)，為方案設(shè)計(jì)優(yōu)化提供支撐。

4）針對(duì)大型復(fù)雜群傘系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)、柔性大變形特點(diǎn)的充氣展開(kāi)過(guò)程，各傘之間的相互作用和影響均有別于單傘系統(tǒng)，直接載荷和變形測(cè)量更加困難，需要著重發(fā)展和突破非接觸式、高精度圖像測(cè)量和分析技術(shù)，獲取開(kāi)傘充氣過(guò)程的關(guān)鍵特性參數(shù)，深入掌握群傘系統(tǒng)工作特性。

我國(guó)通過(guò)返回式衛(wèi)星、載人飛船和探月工程任務(wù)的實(shí)施，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從近地軌道第一宇宙速度再入返回到深空探測(cè)第二宇宙速度再入返回的跨越，為后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在新一代載人飛船試驗(yàn)船回收著陸系統(tǒng)研制過(guò)程中，我國(guó)已初步掌握了群傘系統(tǒng)氣動(dòng)減速技術(shù)、大載重氣囊緩沖和穩(wěn)定性控制技術(shù)，這為我國(guó)后續(xù)開(kāi)展新一代載人飛船研制和載人深空探測(cè)工程立項(xiàng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后續(xù)我國(guó)將進(jìn)行載人深空探測(cè)與返回相關(guān)的減速著陸新技術(shù)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步促進(jìn)減速著陸技術(shù)的全方位發(fā)展。