火星降落傘的結構設計與初步性能試驗研究

張宇

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

自從2008年“鳳凰號”（Phoenix）成功著陸火星以來，作為航天技術三大重要領域之一的深空探測引起了世界各國的廣泛關注。它已成為美國、俄羅斯和日本等擁有空間技術實力的國家在本世紀的重要戰略目標。在深空探測領域，人類探索最多的行星是火星。迄今為止，人類先后共進行了15次火星著陸任務，其中有7次成功著陸，前蘇聯1次、美國6次。

火星探測的進入、減速與著陸技術（Entry，Descent and Landing,EDL）是火星探測的關鍵技術之一。進入、減速與著陸火星的過程與地球上的方式類似，進入大氣層后一般先通過著陸艙的氣動外形減速，然后彈出降落傘再度減速，在接近地面時再采用制動火箭發動機反推，使其進一步減速，最后通過氣囊或著陸支架的方式進行著陸緩沖，以實現探測器的軟著陸。從減速功效看，降落傘減速是人們公認的最佳手段，目前已進行的火星著陸均采用此方案。據報導美國用于火星EDL的降落傘系統全部采用盤縫帶傘 （Disk-Gap-Band parachute，DGB）。

隨著我國航天工業的快速發展，深空探測技術也正被逐步提到議事日程上來。但是作為火星EDL重要組成部分的降落傘系統的研發目前尚未正式開展。本文以此為切入點，對火星降落傘中盤縫帶傘的結構設計與性能進行研究。

2 國外發展情況

2.1 美國發展情況

美國宇航局（NASA）于20世紀60年代開始進行火星降落傘的研究，先后進行過十字傘、環帆傘和盤縫帶傘等多種傘型的研究，最終采用盤縫帶傘作為火星降落傘[1]。其已經發射的7個火星著陸器的降落傘系統全部采用盤縫帶傘的單級氣動減速，并且將“海盜號”（Viking）著陸器的盤縫帶傘的結構設計參數，作為盤縫帶傘設計標準而被廣泛參考應用。目前在研的“火星試驗室”（MSL）也采用此結構。MSL盤縫帶傘的名義直徑達到21.5m,傘繩長度為36.6m，共有80根傘繩（如圖1所示），吊掛載荷質量為900kg，最大開傘速度馬赫數為2.2，最大開傘動壓為750Pa[2]，是目前最大的火星傘，MSL計劃于2011年發射。

圖1 MSL盤縫帶傘展開圖

2.2 歐洲發展情況

歐空局（ESA）于20世紀90年代開始進行火星降落傘的研究，其已經發射的“獵兔犬-2”（Beagle 2）火星著陸器（著陸后失效）的降落傘系統采用盤縫帶傘+環縫傘的多級氣動減速結構。目前在研的“火星生物試驗室”（ExoMars）也采用同種結構，采取這種結構的優點是降落傘系統的質量較小，但缺點是開傘程序比較復雜。ExoMars盤縫帶傘的名義直徑為11m,傘繩長度為22m，共有36根傘繩，吊掛載荷質量為240kg，最大開傘速度馬赫數為2.1，最大開傘動壓為910Pa[3]。ExoMars計劃于2016年發射。

目前，俄羅斯在研的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）的降落傘系統傘型不詳，Phobos-Grunt計劃于2011年發射，屆時我國首個火星探測器“螢火一號”將一同搭載升空。

圖2 盤縫帶傘結構型式示意圖

3 盤縫帶傘結構設計

3.1 結構形式

盤縫帶傘是開縫傘的一種，主要由傘衣、傘繩和吊帶等組成。其中傘衣由平面圓形“盤”和圓筒形“帶子”組成，中間有較寬縫隙將兩者垂直分開，傘衣幅頂部呈三角形，底部呈矩形[4]。由于盤縫帶傘的傘衣上有較寬的縫隙，因此穩定性較好，擺動角一般在5°～10°之間。盤縫帶傘的阻力系數約為0.4～0.7。具體結構型式見圖2。

3.2 結構設計參數

隨著Viking著陸器的成功著陸，其盤縫帶傘的結構設計參數便成為了盤縫帶傘結構設計的標準之一。Viking盤縫帶傘的結構透氣量為12.6%，帶寬比（帶面積與名義面積之比）為35%，縫寬比（縫面積與名義面積之比）為12%。具體結構設計參數見表1[8]。

表1 各種盤縫帶傘的結構設計參數

NASA和ESA在后續型號盤縫帶傘的設計都是在Viking盤縫帶傘基礎上改進而成。由于兩者在火星EDL用盤縫帶傘的設計思路上有所不同，因此具體結構上也有明顯差異，主要體現在結構透氣量、帶寬、縫寬等方面。

Phoenix和MSL盤縫帶傘的設計基本上沿用了Viking盤縫帶傘的結構參數，其結構透氣量均為12.8%[5]。本文將這種傘型稱為Viking型盤縫帶傘，該傘型兼顧阻力性能和穩定性要求。

“火星探路者”（MPF）和“火星漫游者”（MER）盤縫帶傘的設計分別采用了1.9倍和1.8倍的Viking盤縫帶傘的帶寬，其結構透氣量分別為8.9%和9.8%[6－7]。本文將這種傘型稱為MPF及其改進型盤縫帶傘，該傘型比較強調穩定性要求。

ExoMars盤縫帶傘的設計采用了兩倍的Viking盤縫帶傘的縫寬，其結構透氣量為22.4%。本文將這種傘型稱為ExoMars型盤縫帶傘，作為減速傘，該傘型也比較強調穩定性要求。

鑒于ExoMars型盤縫帶傘只用做減速傘，阻力系數較小，因此本文傾向于參考阻力系數較大的Viking型和MPF及其改進型盤縫帶傘進行結構設計。

3.3 設計結果

在參考Viking型和MPF及其改進型兩種盤縫帶傘參數的基礎上，本文充分考慮了后續性能試驗條件對傘衣尺寸和結構強度的要求展開具體結構設計，共設計出4種名義面積為2m2的盤縫帶傘。這4種傘傘衣分別采用了544涂層錦絲綢和K58326-3高強錦絲綢兩種不同織物透氣量的材料（544涂層錦絲綢的織物透氣量為0，K58326-3高強錦絲綢的織物透氣量為150～350 L/（m2·s）），傘繩采用的是高強聚乙烯（PE）繩。具體設計結果見表2。

表2 四種盤縫帶傘的設計結果

4 初步性能試驗

為確定這4種盤縫帶傘的阻力系數和穩定性等性能，產品加工完成后，先后進行了高塔投放和低速風洞等初步性能試驗。

4.1 高塔投放試驗

4.1.1 試驗方法

采用110m高塔進行投放，投放高度80.4m，投放角度90°，投放速度8.4m/s。配重質量為5.0kg。高塔投放試驗只進行了I型傘和II型傘的投放。具體試驗情況見圖3。

圖3 兩種盤縫帶傘高塔投放試驗

試驗通過秒表記錄物-傘系統的落地時間，利用彈道計算可以得到盤縫帶傘的阻力面積，再通過公式（1）計算可以初步得到盤縫帶傘的阻力系數

式中 CD為阻力系數；A0名義面積；AC為阻力面積。

4.1.2 試驗結果

I型傘的落地時間為10.0s，II型傘的落地時間為9.1s，經過彈道計算得到I型傘和II型傘的阻力系數分別為0.63和0.53。I型傘擺動角度較小（＜10°），II型傘幾乎不擺動。

4.2 低速風洞試驗

4.2.1 試驗方法

由于受試驗條件的限制，只對4種盤縫帶傘進行了低速靜態吹風試驗。試驗是在8m×6m的直流式低速風洞中進行，采用叉形單支桿支撐，風速范圍30m/s～70m/s。具體試驗情況見圖4。

圖4 4種盤縫帶傘風洞試驗

風洞試驗通過測量直接得到的數據是載荷和動壓，通過公式（1）和公式（2）的計算可以得到盤縫帶傘的阻力系數

式中 F為載荷；q為動壓。

盤縫帶傘的擺動和旋轉情況可通過視頻測量得到。

4.2.2 試驗結果

4種盤縫帶傘在30m/s～70m/s風速范圍內的阻力系數約為0.37～0.65。I型傘的阻力系數最大（0.61～0.65），III型傘、II型傘的次之，IV型傘的較?。?.37～0.41）。具體試驗結果見表3～表6。

表3 I型傘的風洞試驗結果

表4 II型傘的風洞試驗結果

表5 III型傘的風洞試驗結果

表6 IV型傘的風洞試驗結果

從4種盤縫帶傘的擺動角來看，IV型傘的穩定性最好（擺角小于5°），II型、III型傘的次之，I型傘的略差（擺角在15°左右）。II、IV型傘基本不旋轉，III型傘不大于10r/min，I型傘不大于15r/min。

4.3 試驗分析及結論

通過上述試驗結果來看，I型傘的阻力系數最大，但穩定性略差；IV型傘的阻力系數最小，但穩定性最好；II型傘和III型傘的阻力系數居中，穩定性也可以接受。由此可以推斷出帶寬比、織物透氣量大的盤縫帶傘穩定性好，但阻力系數較??；反之，帶寬比、織物透氣量小的盤縫帶傘阻力系數大，但穩定性較差。

5 結束語

通過對盤縫帶傘的結構設計與地球環境下初步性能試驗的研究表明，在低速條件下其阻力系數和穩定性是一對矛盾的統一體。對于火星用降落傘來說，可以在確定阻力和穩定性兩個要求的條件下，判斷誰占主導地位，再通過調整傘衣帶寬比和選取不同織物透氣量的傘衣材料來獲得滿意的設計結果。

由于火星降落傘通常是在低密度、超音速的條件下展開、充氣和減速，因此對于盤縫帶傘在稀薄大氣條件下的阻力系數和穩定性還需要進一步深入研究，才能達到實用的目的。

[1]Clarencel G.The Viking Decelerator System–An Overview[R].AIAA 1973-442.

[2]Anita S.Supersonic Disk Gap Band Parachute Performance in TheWake of A Viking-Type Entry Vehicle from Mach 2 to 2.5[R]. AIAA-2008-6217.

[3]Stephen L J.Exomars Parachute System[R].AIAA-2009-2975.

[4]EG尤因.回收系統設計指南[M].航空工業出版社，1988.

[5]Witkowski A.Mars Scout Phoenix Parachute System Performance[R].AIAA-2009-2907.

[6]Witkowski A.Mars Pathfinder Parachute System Performance[R].AIAA-1999-1701.

[7]Witkowski A.Mars Exploration Rover Parachute Decelerator System Program Overview[R].AIAA-2003-2100.

[8]榮偉，陳旭.火星探測用降落傘研制試驗簡介[J].航天返回與遙感，2007,28（1）：12-17.