一次發(fā)射多次返回的充氣式再入飛行器技術(shù)

賀衛(wèi)亮 才晶晶 汪龍芳 張碧輝 康 甜

（北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院）

1 引言

天地往返運輸系統(tǒng)是實現(xiàn)天地之間人員和貨物運輸?shù)耐緩?。從目前天地往返的能力而言，發(fā)射的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于返回的能力，航天器的再入與返回過程一直是空間往返運輸系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，無論是從運輸?shù)闹亓亢统杀?，還是從運輸?shù)闹芷诘确矫?，都制約著天地往返運輸?shù)哪芰Α?/p>

傳統(tǒng)的天地往返運輸系統(tǒng)的運行方式包括發(fā)射、在軌運行、返回等三個階段。其中，發(fā)射階段與返回階段是一一對應(yīng)的關(guān)系，也就是說，如果需要進行一次從空間的返回過程，那么就必然對應(yīng)一次從地面到空間的發(fā)射過程。這樣，天地往返的經(jīng)濟成本和機會成本就會因發(fā)射成本的高昂和發(fā)射機會的有限而急劇增大，而且，由于發(fā)射過程受到準(zhǔn)備時間、發(fā)射窗口等限制，天地往返的實時性無法保證。

一次發(fā)射多次返回的天地往返系統(tǒng)就是要突破目前空間往返過程中發(fā)射與返回一一對應(yīng)的關(guān)系，利用一次發(fā)射攜帶多個充氣式再入飛行器，實現(xiàn)從軌道上多次返回，滿足航天活動過程中快速返回、應(yīng)急返回和機動返回的需求。

充氣式再入飛行器技術(shù)是實現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)，充氣式再入飛行器可以在發(fā)射時呈折疊包裝狀態(tài)，具有體積小、重量輕的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)在一次發(fā)射過程中，一個航天器內(nèi)能夠安裝多個這種再入飛行器。航天器當(dāng)進入空間后，無論是在軌飛行，還是空間交會，都可以根據(jù)需要，從中分離出多個充氣式再入飛行器，實現(xiàn)多次返回。

2 國外研究概況與發(fā)展趨勢

在人類開創(chuàng)航天事業(yè)的初期，航天器的再入與返回問題就得到了很大的重視。針對航天員的應(yīng)急救生與應(yīng)急返回需求，六十年代初期，美國和蘇聯(lián)都進行了大量的研究，提出了各種創(chuàng)新的概念和方案，然而，由于當(dāng)時航天技術(shù)的發(fā)展水平和航天項目的單一性特點，這些方案中的大多數(shù)均沒有被實際應(yīng)用驗證，但是，它們的設(shè)計思想和設(shè)計理念卻對現(xiàn)代航天系統(tǒng)的設(shè)計具有非凡的影響力。

一次發(fā)射多次返回的實用典型是前蘇聯(lián)/俄羅斯遙感衛(wèi)星的多體回收。多體回收是在遙感衛(wèi)星上攜帶幾個小型再入返回艙，根據(jù)任務(wù)安排從衛(wèi)星中分離出來，攜帶照相膠片返回地面，提高了膠片返回的實時性。這項技術(shù)是蘇聯(lián)的專利技術(shù)，沒有對外公開。目前，隨著充氣式柔性展開技術(shù)的發(fā)展與成熟，有可能突破小質(zhì)量多體回收的再入與降落技術(shù)，實現(xiàn)真正意義上的多次返回[2，3]。

2.1 早期充氣式再入飛行器

上世紀(jì)六十年代中期，美國麥道公司就提出充氣式傘錐型（PAPACONE）軌道救生再入裝置的概念，如圖1a所示，可以滿足一名身著航天服的航天員應(yīng)急返回。同期，美國通用電氣公司提出MOOSE（Manned Orbital Operations Safety Equipment）軌道救生再入裝置，如圖1b所示，整個結(jié)構(gòu)可以折疊，使用時通過發(fā)泡產(chǎn)生泡沫并填充成型，可以滿足一名航天員應(yīng)急返回。

圖1 早期的充氣式再入裝置

2.2 俄羅斯和歐空局的IRDT

俄羅斯提出的新型充氣式再入飛行器（IRDT）技術(shù)是一種新型輕質(zhì)量的返回技術(shù)，如圖2所示，這種柔性充氣式再入飛行器是由隸屬俄羅斯拉瓦斯金聯(lián)合體的巴巴金空間中心聯(lián)合歐空局，針對“火星-96”項目研發(fā)的火星著陸系統(tǒng)。由于俄羅斯的“火星-96”計劃在發(fā)射時失敗，使得這項技術(shù)至今未能得到實際應(yīng)用的驗證[1]。

圖2 IRDT再入與降落示意圖

與常規(guī)的由防熱罩和降落傘組成的返回著陸系統(tǒng)相比，IRDT可以使返回的質(zhì)量和費用大幅度降低，從而應(yīng)用于空間站物資的返回、運載火箭的回收、星際飛行器的著陸以及部分區(qū)域的救生等等。IRDT既可以應(yīng)用于現(xiàn)有航天器，也可以應(yīng)用于未來新型航天器的研制。2000年-2005年期間，俄羅斯利用彈道導(dǎo)彈進行了三次亞軌道飛行試驗，均未取得完全成功[1]，究其原因主要是因為再入過程中柔性織物材料的在氣動熱作用下的防熱問題。充氣式再入飛行器需要采用多層復(fù)合的柔性材料來解決氣密性、結(jié)構(gòu)強度、氣動熱載荷、充氣展開、工藝粘接等問題，這些技術(shù)均是制約充氣式再入飛行器成功實現(xiàn)應(yīng)用的主要關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 美國的IRV

八十年代后期，美國ARS公司研制了一種稱為IRV（Inflatable Reentry Vehicle）的充氣式再入飛行器，并于2009年8月17日利用探空火箭進行了試驗。如圖3所示，到達(dá)211km高度后，IRV在短時間內(nèi)充氣成型。充氣式再入飛行器在包裝狀態(tài)半徑為0.4m，展開后的直徑為3m。該試驗成功地達(dá)到了預(yù)期效果，驗證了充氣式再入飛行器的展開和再入特性。

圖3 IRV的飛行試驗

3 應(yīng)用前景分析

充氣式再入飛行器由于其包裝體積小、重量輕，所以，一經(jīng)問世，立即受到世界各航天大國的關(guān)注和重視。其應(yīng)用設(shè)想從航天器返回到星際著陸，并逐漸向空間站方面的應(yīng)用推廣。

空間站是人類能夠在太空進行試驗的大型空間基礎(chǔ)設(shè)施，利用空間站的太空環(huán)境和軌道資源，可以進行各種地球上無法進行試驗，例如，空間生物實驗、微重力試驗、空間環(huán)境觀測等等。在空間站上的一些試驗結(jié)果具有較高的時效性，需要及時地返回。按照目前世界各國航天發(fā)展的水平和能力，還無法滿足這樣的需求，而充氣式再入飛行器技術(shù)首先可以針對這樣的需求進行開發(fā)和應(yīng)用。

3.1 空間實驗結(jié)果的實時返回

空間實驗室和空間站能為開展空間生命科學(xué)研究提供寶貴資源。國外已利用空間站開展了大量的生物和醫(yī)學(xué)實驗，為下一步的深空探索積累了豐富資料。由于生物學(xué)實驗樣本有其特殊的時效性要求，即實驗結(jié)束后，要求樣本盡快處理分析，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有科學(xué)意義。比如，空間細(xì)胞生物學(xué)實驗，持續(xù)天數(shù)一般在2d～7d左右，固定或裂解的樣本如不能即刻分析，則需要低溫（-20℃～-4℃）保存。目前，在軌分析的設(shè)備難以完成，冷藏資源（體積）也十分有限，嚴(yán)重制約了空間生命科學(xué)研究的開展。解決此問題的最佳途徑，就是生物樣本能及時、分批返回。

如果能夠利用充氣式再入飛行器實現(xiàn)多次返回技術(shù)，就可以實現(xiàn)和滿足在軌生物樣本的及時、分批返回，將有力地促進我國空間生命科學(xué)研究的發(fā)展。

3.2 空間站人員的應(yīng)急返回

隨著空間大型基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，人類進入太空的機會和進入太空的人員數(shù)量也會越來越多，包括一些非職業(yè)的航天員和太空旅行者，在空間站逗留的時間也會越來越長。在這樣的情況下，一旦出現(xiàn)人員生病等意外情況，需要緊急救援和應(yīng)急返回。目前，國際空間站上長期對接一艘聯(lián)盟號飛船，作為應(yīng)急返回運載工具，但是，這僅僅只能滿足一次應(yīng)急的需求，如果出現(xiàn)多次情況，按照現(xiàn)有的能力將束手無策。充氣式再入飛行器能夠解決這個問題，可以將多個飛行器安裝在空間站上，需要時分離出去，進行再入和返回。由于充氣式再入飛行器在使用前可以折疊，大大節(jié)約了空間，從而也節(jié)省了運輸費用。

3.3 空間站其他貨物的返回

目前，以歐洲為例，因為沒有能力回收空間站上的貨物，在使用航天飛機時每千克需要支付2.5萬美元，而其每年大概需要運輸500kg～800kg的貨物。歐空局認(rèn)為，使用IRDT可以節(jié)約大量的運輸經(jīng)費[1]。另一方面，空間站貨物的運輸，特別是一些試驗結(jié)果的快速返回，其整個過程要求具備一定的實時性，而回收的質(zhì)量可能很小，這種情況下，如果繼續(xù)采用飛船或航天飛機進行返回，其成本太高，利用率太低。這時，小型充氣式返回與降落技術(shù)顯示出巨大的優(yōu)越性，如圖4所示。

此外，充氣式再入飛行器可以攜帶太空武器再入大氣層，對地面實施攻擊，也可以作為彈道導(dǎo)彈再入時安裝在尾部的機動減速裝置，具有巨大的潛在軍事應(yīng)用價值。

圖4 IRDT技術(shù)應(yīng)用于空間站

4 充氣式再入飛行器組成

一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)是充氣式再入飛行器技術(shù)，因此，對于典型充氣式再入飛行器而言，其系統(tǒng)功能和組成如下：

4.1 系統(tǒng)的功能

與傳統(tǒng)的再入與返回方式相比，充氣式再入飛行器具有三合一的功能，即同時具備：

（1）再入防熱罩的功能

在進入大氣層時承受高超聲速氣流的氣動熱載荷。

（2）降落傘減速的功能

在超聲速和亞聲速狀態(tài)時，通過氣動力減速，達(dá)到著陸速度要求。

（3）緩沖氣囊的功能

在著陸的瞬間，可以起到著陸緩沖的效果。

除了具備傳統(tǒng)再入與返回系統(tǒng)的組合功能之外，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，充氣式再入飛行器還具有質(zhì)量輕、包裝體積小、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點，顯示出廣闊的應(yīng)用前景和開發(fā)潛力。

4.2 系統(tǒng)的組成

充氣式再入飛行器從包裝折疊狀態(tài)到完全展開加速狀態(tài)，經(jīng)歷了自由流、過度流和連續(xù)流等幾個階段，相應(yīng)的飛行速度也是由超高聲速逐漸降低到亞聲速，直至滿足著陸的要求，它主要包括：

（1）充氣式結(jié)構(gòu)

充氣式結(jié)構(gòu)由多層復(fù)合的織物材料，包括密封層、防熱層、強度層、絕熱層、散熱層等組成。其功能是形成充氣展開結(jié)構(gòu)，保持一定的結(jié)構(gòu)形式和氣動外形，并在超聲速條件下能夠承受氣動力載荷和氣動熱載荷。充氣式結(jié)構(gòu)的材料問題是制約其發(fā)展的最主要的因素。

（2）氣體發(fā)生裝置

充氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部一般充滿氮氣，氣體的來源可以有兩種，一種是攜帶高壓氣瓶，另一種是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，并通過若干個壓力調(diào)節(jié)閥門，自動地調(diào)節(jié)充氣結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體壓力。

（3）剛性頭錐

由于充氣式再入飛行器展開結(jié)構(gòu)呈倒球錐型，在再入過程中，其頭部是駐點壓力和駐點溫度集中的地方，需要在高壓和高溫條件下不但不能損壞，而且，還必須保持一定的氣動外形和結(jié)構(gòu)強度。據(jù)俄羅斯幾次飛行試驗的結(jié)果表明，頭錐區(qū)域在再入時的氣動熱可以達(dá)到3000℃以上。目前的織物材料無法承受這樣的溫度，另一方面，局部的剛性頭錐區(qū)域?qū)Πb容積應(yīng)沒有影響。

（4）有效載荷艙

有效載荷艙用于安放各種需要從太空返回地面的有效載荷，有效載荷艙安裝在充氣式再入飛行器頭錐部分的內(nèi)側(cè)，一方面保護其免受氣動加熱，同時，也使得整個飛行器的重心位置靠近頭錐，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（5）著陸搜救信標(biāo)機

由于這種再入飛行器仍然是被動式再入與返回方式，彈道誤差很大，一般在幾十公里的量級，因此，需要在系統(tǒng)上安裝信標(biāo)機，從進入亞聲速狀態(tài)開始就發(fā)射信號，使地面搜救人員能及時發(fā)現(xiàn)落點位置[5]。

5 主要關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

圖5所示為美國、俄羅斯和中國正在研發(fā)階段的充氣式再入飛行器原理樣機。針對我國未來的空間實驗室或更大的天基設(shè)施，研究經(jīng)濟廉價和機動靈活的再入飛行器，滿足一次發(fā)射多次返回的天地往返運輸?shù)男枨?。目前階段，設(shè)計了底部直徑3m，頭錐角90°的充氣式再入飛行器，進行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證。

主要關(guān)鍵技術(shù)研究狀況如下：

（1）一次發(fā)射多次返回的天地往返系統(tǒng)的總體任務(wù)分析

圖5 三個國家充氣式再入飛行器示意圖

總體任務(wù)分析包括任務(wù)對象、任務(wù)需求、發(fā)射形式、軌道設(shè)計、返回形式、著陸要求等等，針對充氣式再入飛行器的再入運動模型，與返回式衛(wèi)星有許多相似之處，在初步研究階段，再入運動可以簡化為彈道式的再入運動。通過建立軌道動力學(xué)方程，利用修正牛頓理論計算不同馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)，分析不同再入角對充氣式再入飛行器再入過程的影響，如圖6所示。

（2）柔性充氣展開結(jié)構(gòu)的氣動外形設(shè)計

圖6 過載隨高度的變化

充氣式再入飛行器的柔性充氣結(jié)構(gòu)在成形方面將直接影響氣動力系數(shù)，同時也會影響再入過程中的氣動加熱。因此，進行氣動外形設(shè)計時不但需要考慮最大過載、再入時間，還需要考慮對氣動力和氣動加熱的影響。

（3）柔性充氣展開結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

充氣式再入飛行器的結(jié)構(gòu)強度分析采用解析公式求解和有限元建模仿真兩種途徑。

對于解析途徑，應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)經(jīng)典應(yīng)力公式，結(jié)合充氣式再入飛行器構(gòu)型，計算在一定的內(nèi)外壓差下的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布規(guī)律，如圖7所示，確定最大應(yīng)力點位置。

圖7 應(yīng)用解析公式的應(yīng)力分析

對于數(shù)值仿真途徑，可以采用ANSYS軟件進行建模分析，得到的充氣式再入飛行器應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 運用ANSYS進行充氣式再入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

（4）再入過程氣動特性模擬

為了得到充氣式再入飛行器返回過程中在自由分子流和過渡區(qū)域內(nèi)的氣動力和氣動熱數(shù)據(jù)，采用直接模擬蒙特卡羅方法（Direct Simulation Monte Carlo）模擬其氣動特性[4]，針對飛行器外形，可以計算不同高度內(nèi)的流場分布、表面的壓力系數(shù)和熱流密度分布及阻力系數(shù)，如圖9、圖10所示。

圖9 流場溫度云圖

圖10 各高度的阻力系數(shù)和駐點熱流密度

6 結(jié)論和建議

充氣式再入飛行器技術(shù)是實現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)，其主要創(chuàng)新點包括：

（1）打破傳統(tǒng)空間往返運輸過程中發(fā)射與返回一一對應(yīng)的模式；

（2）可以為未來空間實驗室內(nèi)航天員提供應(yīng)急返回救生的服務(wù)；

（3）可以實現(xiàn)多次機動靈活的返回方式；

（4）能夠大幅度降低空間返回的成本。

因此，建議針對我國未來空間站發(fā)展和貨運飛船的發(fā)展規(guī)劃和需求背景，開展研究工作，從小型充氣式再入飛行器回收航天生命科學(xué)實驗結(jié)果等小載荷應(yīng)用入手，逐步實現(xiàn)航天員應(yīng)急救生的再入與返回，爭取早日實現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的天地往返運輸目的。 ◇

［1］ Marraffa L,Kassing D,Baglioni P,et al.Inflatable reentry technologies:flightdemonstration and future prospects.ESA Bulletin,2000,103:78～85

［2］林華寶，馬宏林.載人航天的救生問題.空間站系列文集之四，航天五院，1987

［3］李惠康.軌道救生艇概念研究綜合報告.863航天高技術(shù)專題論證報告，1989

［4］James N.Moss,Christopher E.Glass Low-Density Aerodynamics for the Inflatable Reentry Vehicle Experiment.JOURNAL of Spacecraft and Rockets Vol.43,No.6 November-December 2006

［5］賀衛(wèi)亮，韓潮.基于充氣展開技術(shù)一次發(fā)射多次返回的空間往返系統(tǒng)概念研究.中國宇航學(xué)會飛行器總體專業(yè)委員會第十屆學(xué)術(shù)研討會論文集，2008