載人飛船利用返回艙反推發動機制動緩沖方案參數初步分析

郭 斌 ，左 光，程克明 ，陳 沖

（1南京航空航天大學航空宇航學院，南京210016；2中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094）

1 引言

自2011年美國航天飛機退役以后，目前可以執行天地往返任務的載人航天器只有俄羅斯的“聯盟”號飛船和我國的神舟號飛船。為改變這一現狀，美、俄等國都在加緊研制新一代載人飛船預計在2018年前后具備飛行能力。世界各國升級換代后的新一代多用途飛船，在總體設計理念上發生轉變，采用模塊化設計理念，擴大任務覆蓋范圍，任務目標以國際空間站和載人登月等任務為核心，覆蓋近地軌道和載人深空往返運輸任務的需求；采用可重復使用設計理念，進一步降低航天運輸成本；此外進一步增強了任務安全性、可靠性方面的設計；采用新型的反推發動機著陸回收方案，可以大限度的實現著陸減速，提高飛船的可重復使用率，進一步實現飛船的定點著陸功能。

氣動減速裝置作為回收著陸系統的關鍵組件之一，其工作性能的可靠與否關系到整個航天器回收著陸的成敗。目前，使用最為廣泛、技術最為成熟的地球再入氣動減速裝置為降落傘系統。神舟號飛船和“聯盟”號飛船主要選用的氣動減速裝置就是降落傘系統，并在著陸前1m高度點燃固體火箭發動機，旨在降低最終的著陸速度。降落傘用織物材料縫制而成，質地柔軟，包裝后體積小，在空中展開后可以獲得比原包裝狀態大數百倍的阻力面積；同時具有結構簡單、減速高效、工作可靠和成本較低的特點，因此被廣泛應用于各種返回式航天器。然而，深空探測任務的開展，載人飛船規模的不斷加大，返回艙再入返回的質量越來越大。如果單純依靠降落傘減速，即便是群傘技術也面臨傘艙體積過大、傘衣材料強度要求提高、傘衣整體質量增大、傘衣包裝難度加大和降落傘拉直技術難度增大等一系列問題。

本文借鑒國外在研載人飛船的研制方案，提出一種新型的減速方案，將反推發動機與降落傘配合使用，以實現返回艙的有效制動著陸。由于發動機安裝位置、點火高度等對其性能參數會產生較大影響，[1][2]本文主要對載人飛船反推發動機進行反推減速這一方案進行分析，估算反推發動機的主要性能參數，初步驗證其可行性，也為將來實現定點著陸奠定了良好的基礎。

2 國外新型載人飛船利用反推發動機實現制動著陸的可能性

2.1 Space X Dragon反推著陸方案設想

Dragon是美國空間探索技術公司（Space Exploration Technologies，Space X）為NASA商業軌道運輸服務（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）項目開發的可重復利用的新型載人飛船。

Dragon飛船后期將單獨配備逃逸發動機Super Draco，在飛行過程中不用拋掉，可用于發射段全過程的逃逸救生，從而進一步提高飛船的安全性。未來Dragon的設計團隊希望可以利用逃逸發動機進行著陸反推，并以此實現精確定點著陸，如圖 1所示。Dragon飛船的這種設計體現了國外新一代飛船先進的整體系統集成優化的理念，（如圖2所示）代表了未來新一代飛船發展的趨勢。

圖1 Dragon飛船利用發動機反推著陸

圖2 Dragon飛船優化設計

Super Draco發動機為發射段逃逸救生而研發，目前已經完成地面試車試驗，如圖3所示。由于其推力可以進行深度調節，因此完全具備執行著陸反推的能力。表1給出了Super Draco［j2］發動機的基本性能參數表。

圖3 Super Draco發動機地面試驗

表1 發動機性能參數表

2.2 PPTS反推著陸方案設想

PPTS載人飛船，是俄羅斯航天局提出設計的新一代航天飛船（如圖4所示），其在繼承聯盟飛船的基礎上引用了多項先進技術，其中重大改進就是在著陸回收過程中采用了反推發動機。

PPTS飛船提出的新著陸方式，是利用固體推進劑發動機的火箭輔助著陸作為航天器返回地球的一個主要方案，在回收著陸段使用反推發動機減速。具體方案也經過了多次修改。在最初的設想中，PPTS飛船將完全依靠反推發動機進行精確著陸，具體步驟為先拋掉防熱大底，露出著陸發動機噴管和著陸腿，飛船在反推發動機工作后，使用著陸腿降落（如圖5所示）；在應急狀態下拋掉反推發動機在內的軟著陸裝置，減輕返回艙質量后再使用小型降落傘實施著陸。這種方案的優勢是既可以利用反推發動機進行精確著陸，也可以在反推發動機出現問題時使用降落傘的應急預案，增大了返回艙的安全可靠性。但之后的方案設計中PPTS飛船可能使用一個降落傘和火箭發動機聯合的制動著陸方案。

船載反推發動機有可能使用清潔能源（酒精），但現在固體發動機依然被認為是針對PPTS飛船制動著陸系統最可行的方案。目前反推發動機裝備了多重噴管（multiple nozzles），以便實現降落過程中的變推力。噴管上的偏轉控制裝置可以實現推力調節，同時固體發動機本身也保留了一個固定的方向。

圖4 PPTS設計概念圖

圖5 PPTS著陸緩沖火箭減速著陸

2.3 小結

上述兩種在研的載人飛船在著陸回收方面都提出了用自身動力系統實現減速制動。其中，Space X公司的Dragon完全依靠反推發動機減速，同時還兼具定點著陸的功能；PPTS在初期只考慮了反推發動機減速，但在后期設計中提出了降落傘和火箭發動機聯合的工作方案，并提出了當反推發動機無法正常工作的緊急狀態下拋掉著陸推進裝置的應急預案。

總體來看，在回收著陸段利用自身動力反推將彌補由于返回艙規模增大而帶來降落傘規模增大所引發的一系列問題，也為將來實現定點著陸奠定了良好的基礎。

3 傳統載人飛船利用反推發動機實現制動著陸的方案設想

3.1 方案設想

為了適應深空探測及空間站運營維護等后續任務，載人飛船規模會不斷加大。因此利用返回艙上的反推發動機進行制動緩沖是載人飛船發展趨勢之一。結合國外載人飛船的研制經驗，本文提出了在載人飛船返回艙上配置反推發動機的方案設想。

目前來看，利用反推發動機進行減速著陸有以下三種技術途徑進行選擇（如表2所示）：

表3給出了三種方案反推發動機需要提供的速度增量以及主傘、減速傘的情況。從上述方案中可以看出，方案三反推發動機工作時間最長，推進劑需求量最大，且需要主傘、減速傘備份，與方案一相比沒有質量方面的優勢，與方案二相比又需要消耗更多的推進劑；方案二增加了主傘，而且需要減速傘備份，同時發動機提供的速度增量較大，而且還需要兩次點火，此外降落傘和反推發動機交替工作，對與飛船姿態控制而言難度較大。本文是按方案一進行初步分析的。

3.2 反推發動機性能估算

表2 著陸回收方案對比

表3 各方案使用降落傘情況介紹

本節利用工程估算方法對反推發動機性能進行估算，內容包括反推發動機點火高度、反推前返回艙下落姿態以及反推發動機安裝位置等，并研究上述參數對發動機推力大小和工作時間的影響。

反推發動機在不同高度點火，決定了反推發動機要提供不同的速度增量以及不等的工作時間。高度越高，反推發動機的工作時間越長，但推力相對較小。

反推發動機在載人飛船上布置位置不同，會對所需推力大小產生較大影響。本次估算參照Space X的側面布局以及PPTS底部布局。由于側面布局的發動機與載人飛船中軸線呈一定夾角（本文暫定30°夾角），因此對同類型發動機來說，側面布局的有效推力小于底部布局。載人飛船參數選擇Space X公司的Dragon飛船相關參數進行計算，具體參數如下：

表4 大氣密度參數表

表5 載人飛船參數選擇對照表

返回艙從10km開始垂直下落，此時返回艙所受氣動力全部為氣動阻力。當氣動阻力與重力相抵時，達到恒定速度V，即：

由此，得出不同高度對應的恒定速度，見下表：

表6 載人飛船飛行速度對照表[j5]

由上表及有關計算公式可以得出不同高度下反推發動機工作推力、工作時間以及推進劑的消耗量：

從圖6中可以看到，反推發動機點火高度越高，所需要的推力越小，發動機工作時間越長，所消耗的推進劑越多。其中反推發動機在側面布局，1km高空點火時所需推力最大，大約為12.4kN；5km高空點火時所消耗的推進劑最大，約為1805kg。發動機在底部布局，1km高空點火時所消耗的推進劑最少，大約為592kg；5km高空點火時所需推力最小，大約為6.9kN。

表7 理想狀態反推發動機性能估算表

圖6 垂直下落反推發動機性能圖

4 總結

本文利用工程估算方法對反推發動機性能進行估算，評估內容包括反推發動機點火高度、反推前返回艙下落姿態以及反推發動機安裝位置等，并研究上述參數對發動機推力大小、工作時間的影響。研究結果表明：

①反推發動機安裝在側面時，所需推力和推進劑消耗量比相同狀態下安裝在底部時要大；

②反推發動機點火高度對所需推力和推進劑消耗量有較大影響，點火高度越高，推力越小，而推進劑消耗量越大。

綜上所述：在采用方案一的前提下：

①從發動機推進劑消耗量來看，在推力允許的情況下，反推發動機選擇底部布局、1km高空點火反推的方案所需要的推進劑最少，可以控制在700kg以內

②從發動機推力大小來看，若選取推進劑消耗量最小，則推力為12.4kN；

③從發動機尺寸來看，Super Draco發動機噴口直徑大約260mm，總長估計500～600mm。

因此，對于Dragon飛船同等規模的載人飛船返回艙（返回艙總重6.5t，直徑3.7m左右）艙體空間完全可以布置8臺這一類型的發動機。因此，在載人飛船返回艙上配置反推發動機方案初步認為是可行的。◇

［1］劉敏，榮偉.反推發動機布局對返回艙著陸姿態的影響分析.航天返回與遙感.第31卷第2期.2010.4

［2］黃偉.反推發動機點火控制高度及其隨機偏差分析.航天返回與遙感.第23卷第3期.2002.9