運載火箭傘降回收著陸技術概述

黃偉

（1 國防科技大學，長沙 410073）（2 北京空間機電研究所，北京 100094）

返回與再入技術

運載火箭傘降回收著陸技術概述

黃偉1,2

（1 國防科技大學，長沙 410073）（2 北京空間機電研究所，北京 100094）

隨著可重復使用運載火箭成為航天領域的熱點，運載火箭的回收著陸技術亦受到更大的關注?；趥鹘y構型的運載火箭的回收一般可分為傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型，每種類型的回收著陸技術均有其各自的優缺點。其中傘降回收著陸技術雖然落點精度較低，但是具有技術成熟度高、可靠性高、運載能力損失低的優勢，長期以來世界各航天大國一直在開展相關的研究。文章針對運載火箭回收著陸中非常關鍵的基于傘降方式的回收著陸技術及系統開展研究，梳理了國內外運載火箭傘降回收著陸技術的發展情況。對于運載火箭的傘降回收著陸而言，中國主要開展了基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統兩類方案的研究。文章對這兩類傘降回收著陸系統進行了基本的方案論述，包括系統的組成、系統的工作程序以及涉及到的主要關鍵技術分析，并對兩種傘降回收著陸系統進行了對比論述。最后給出了運載火箭傘降回收著陸技術的結論和相關建議。

翼傘 氣囊 群傘 回收著陸 運載火箭 綜述

0 引言

自從人類開始研制運載火箭以來，就一直關注運載火箭的回收問題，例如在錢學森先生 60年代初編著的《星際航行概論》中即已經有專門探討運載火箭回收的章節[1]。

回收運載火箭的一個重要目的在于重復使用以降低成本。傳統的多級火箭發射后，一、二級在工作結束后被拋棄，火箭發動機在高溫、沖擊濺落后必然受損，完全修復的花費極大，如果能實現運載火箭（部分）的可重復使用，則可大大降低發射費用。近年來，隨著商業航天的興起，可重復使用運載火箭成為了國際的關注熱點。以SpaceX公司的“獵鷹9號”可重復使用運載火箭為例，有望實現發射成本降低為現有平均水平的1/20[2]。

運載火箭的回收對于我國有著除重復使用之外的特別意義[3]：由于我國運載火箭發射基地大部分都在內陸，運載火箭助推器與芯級的墜落地點都在陸地上，盡管這些墜落點都選擇在人口密度相對較低的區域，但由于殘骸落點散布范圍大，仍然威脅大量的當地居民。如果能夠使運載火箭的墜落速度降低，可減小對地面人員與財產的威脅；如果能夠進一步使得運載火箭墜落過程中具有機動能力，精確落入指定區域，則可以基本消除對地面人員與財產的威脅。

當前，按照技術方式，基于傳統構型的運載火箭的回收一般可分為傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型，每種類型的回收技術均有其各自的優缺點。其中傘降回收著陸技術雖然落點精度較低，但是具有技術成熟度高、可靠性高、運載能力損失低的優勢，長期以來世界各航天大國一直在開展相關的研究。對于我國運載火箭回收的發展需求而言，傘降回收著陸技術值得重點關注。

1 國外運載火箭傘降回收著陸技術的發展

美國、俄羅斯、歐洲等均開展了可重復使用運載火箭的研究工作，傘降回收著陸式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型的回收方式均有所發展。雖然近年來隨著 SpaceX公司的崛起，垂直返回式的運載火箭得到了更多的關注，但實際上國外在運載火箭的傘降回收著陸技術方面多年來也有較好的發展。美國主要有航天器飛機助推器的傘降回收著陸、K-1火箭的傘降回收著陸、“戰神I”運載火箭第一級及“戰神V”運載火箭助推器的傘降回收著陸；俄羅斯主要有“能源號”火箭助推器的傘降回收著陸、“安哥拉”火箭助推器的傘降回收著陸；歐空局主要有“阿里安5”火箭助推器的傘降回收著陸。

1.1 航天飛機助推器

每個美國航天飛機固體火箭助推器（Solid Rocket Booster，SRB）的再入質量為81 600kg，再入速度約為1 200m/s。再入時SRB縱軸接近垂直于速度方向，以便獲得較大的氣動阻力和較好的氣動減速效果，達到亞音速后逐級打開降落傘系統，以23～27m/s的垂直速度濺落于離發射場240km的海上，SRB傘降海上濺落過程如圖1所示。

航天飛機固體火箭助推器采用的降落傘系統為：1具引導傘、1具穩定減速傘和3具主傘。1985年前，SRB降落傘系統所有傘型均為20°錐形帶條傘，為尼龍材料制備。1986年后，鑒于國際空間站的任務要求，航天飛機必須攜帶更多的有效載荷。為了實現大幅度減小質量，SRB降落傘和傘包改用高強度質量比的材料凱夫拉和斯貝拉，傘衣結構由新型連續帶條結構代替厚重的傘衣幅結構。傘衣型式用 1/4球面形傘衣取代錐形傘衣，這種新型主傘直徑為37.5m，效率較高。表1為SRB回收降落傘的主要參數。自1981年至1996年，航天飛機先后80次成功完成SRB的回收[4]。

表1 SRB回收降落傘系的主要參數Tab.1 The parameters of SRB parachutes

1.2 K-1火箭

上世紀90年代，美國Kistler、Rotor等私營宇航公司參與商業可重復使用運載火箭的競爭。Kistler宇航公司開發的K-1可完全重復使用運載器與目前常規的運載火箭外形類似，垂直起飛，兩級入軌，一級和二級運載器分別回收，采用降落傘系統進行逐級氣動減速，最終以緩沖氣囊實現在陸地上的安全回收[5-9]。

K-1運載火箭二級運載器將有效載荷送入軌道后再入大氣層返回，回收質量約12.2t。二級運載器的回收系統，在高度24km左右、速度Ma=2.5時打開一個7.01m直徑的穩定傘使運載器減速至亞聲速，然后在8km左右高度分離穩定傘并拉出一個12.25m直徑的減速傘（傘型為帶條傘），減速傘一級收口。減速傘全部充滿后，在主傘開傘前進行一次轉吊掛動作，把運載器下落姿態由零攻角轉換為 90°。之后在4～5km高度上拋減速傘并拉出三具47.55m直徑的主傘（傘型為環帆傘），采用兩級收口，在3km左右高度上主傘完全充滿。在運載器下降至1.5km高度時氣囊開始充氣，采用氣囊進行著陸緩沖。

K-1運載火箭一級運載器回收質量約20.5t。一級運載器在43km高度與二級運載器分離，飛行最高點達到90km。再入后，在7.6km高度，首先彈射兩個12.25m直徑兩級收口的帶條型減速傘進行穩定與減速，然后4.5km高度上減速傘分離，拉出6個47.55m直徑兩級收口的環帆型主傘，在主傘第一級收口狀態下即進行轉換吊掛，使一級運載器攻角轉換為90°。主傘兩次解除收口后，在3km左右高度完全充滿。運載器著陸前對氣囊充氣，通過氣囊緩沖最終的著陸沖擊。兩級運載器使用的減速傘和主傘基本設計是相同的，只是在具體的收口設計等方面有所不同。

K-1運載火箭一、二級運載器均為4個緩沖氣囊，緩沖氣囊由外囊與內囊組成，外囊起主緩沖作用，內囊用于保證運載器離地高度。一級運載器長 18m，直徑 6.6m，其緩沖氣囊呈圓柱形，外形尺寸為Φ2.6m×3.6m。二級運載器長18.2m，直徑4.2m，緩沖氣囊呈球形，外囊直徑為3m，內囊直徑為1.56m。氣囊布局如圖2所示。

氣囊充氣系統（Airbag Gassing System，AGS）為緩沖氣囊提供氮氣氣源。AGS設計指標為：質量11.4kg，氣囊充滿時間不超過60s，運載器下降過程中能夠維持氣囊壓力200s，運載器著陸后能夠維持內囊30min。四個氣囊共用一個充氣系統的氣瓶，氣瓶壓力為41MPa，容積為213L。K-1運載火箭一級運載器配置1個氣瓶，二級運載器配置2個氣瓶。

K-1運載火箭回收著陸系統的絕大部分研制試驗已經完成，原計劃在2002年進行試飛并設想成為世界上第一個可完全重復使用的地球低軌道運載器，但由于項目終止導致并未進行飛行驗證。相比較于海上回收重復使用，陸上回收對于降低發射成本更具優勢。

1.3 “戰神I”運載火箭第一級

“戰神Ⅰ”運載火箭是美國“星座”計劃開發的運載工具，主要用于發射“獵戶座”飛船，載人進入空間，向 ISS（國際空間站）運送人員和貨物、執行重返月球任務以及載人登陸火星甚至探索更遙遠星球任務。

戰神Ⅰ火箭設計為火箭第一級可回收重復使用，其工作過程見圖 3，火箭起飛后利用第一級動力飛行126s，飛至57.5km高度時Ma=5.9。第一級發動機燃料耗盡后分離，在降落傘回收系統作用下安全濺落海上回收[10-13]。

“戰神Ⅰ”第一級降落傘回收系統的方案繼承自航天飛機助推器降落傘回收系統，采用了1個引導傘、1個減速傘與3個主傘，但是主傘尺寸有較大的增加，其主傘名義直徑為45.7m，質量約1t，設計承受最大飛行載荷為113t。表2為航天飛機助推器降落傘系統與“戰神I”第一級降落傘系統的參數對比。

截止到2009年10月，“戰神Ⅰ”火箭降落傘回收系統開展了多次的火箭橇試驗（驗證引導傘、減速傘的開傘狀態）與空投試驗（驗證全部降落傘系統），其中空投模型最大達到33t，降落傘系統得到了有效的驗證。但是由于美國“星座”計劃的取消，戰神火箭的研制也終止了。

“戰神V”火箭助推器與“戰神I”火箭第一級回收系統的設計基本相同，其回收方案與“戰神I”火箭第一級回收方案基本相同。

表2 航天飛機助推器降落傘與“戰神Ⅰ”第一級降落傘參數對比Tab.2 The comparison for parachute parameters of SRB and first stage of ares I first stage

1.4 “能源號”火箭助推器

20世紀70年代至90年代，俄羅斯進行了大型運載火箭“能源號”的研制，“能源號”火箭設計為其液體助推器可回收重復使用。助推器回收系統設計為一種通用的回收系統，其適用范圍為：回收質量5～70t，開傘時回收體下降速度 0.5～2.5m，高度 5.5～15km。根據回收飛行器的質量和飛行彈道的特性對通用件進行組合選擇。“能源號”助推器的主要回收系統由1具二級收口的186m2的引導傘、3具200m2/具的減速傘、3具1 800m2/具且二級收口的主傘和著陸時的反推發動機組成。

由于助推器具有長細比較大的特點，在乘主降落傘降落過程中達到穩定速度后，主降落傘與助推器的連接由垂直狀態轉換為水平狀態，著地前裝在助推器兩端的反推發動機點火，使助推器以接近零的速度軟著陸。

雖然最終由于“能源號”火箭型號任務的下馬，該回收系統沒有得到型號飛行試驗驗證，但已完成主要研制工作與地面試驗驗證，降落傘系統的有效性得到驗證，并在后續應用在了“阿里安”火箭助推器的傘降回收著陸系統方案中。

1.5 “阿里安”火箭助推器

“阿里安”火箭成功進入了世界商業發射競爭領域，并取得了良好的市場份額。20世紀八十年代中期，歐空局與俄羅斯合作開始了“阿里安5”固體火箭助推器（回收質量40t、長度31m和直徑3m）回收技術的研究。

“阿里安5”助推器降落傘回收系統安裝在助推器的前部和頭錐內，包括引導傘、減速傘傘群（3具）、主傘和附加傘等6具降落傘組成，附加傘是為了限制主傘開傘過程中速度的增加，主傘直接借用俄羅斯能源號助推器回收主傘。引導傘為1.96m直徑的平面圓傘，降落傘材料為尼龍，引導傘通過連在頭錐上的14m長芳綸拖帶拉出3個減速傘為直徑10.8m（面積90m2）的平面圓傘，為了控制開傘過載，采用了4～5級收口，減速傘工作25s。主傘名義直徑48.1m（名義面積1 800m），采用了4～5級收口。附加傘不收口。

“阿里安5”助推器回收系統工作程序見圖4所示。火箭起飛后126s，到達59km左右高度，助推器與芯級分離；助推器沿分離彈道繼續上升到彈道頂點150km，然后下降再入大氣；助推器下降到5km左右時，頭錐分離裝置將頭錐彈出并拉出引導傘，引導傘張滿后拉出3具減速傘，減速傘逐級解除收口至完全張滿。當助推器下降到2.7～1.3km時，分離減速傘并拉出主傘和附加傘，主傘逐級解除收口至完全張滿，最終攜帶助推器以小于27m/s的垂直速度濺落海上。

“阿里安 5”運載火箭的首次發射試驗（“阿里安”502任務）于1996年6月進行，由于控制系統故障，火箭升空30s后發生故障，傘降回收著陸系統未得到考驗。1998年10月的“阿里安”503任務中，助推器傘降回收著陸系統得以工作，成功回收一個助推器，另一個助推器在再入時因姿態處于不利狀態遇到了最大氣動壓力而斷成兩節，未能回收[14-15]。

2 我國的發展情況

我國從20世紀80年代就開始對重復使用運載器進行了研究工作，包括概念研究以及單項的關鍵技術研究。其中重復使用運載器的研究涉及到從多級入軌、部分重復使用到多級入軌、完全可重復使用，以及單級入軌、完全可重復使用等多種方案[16-17]。

對于運載火箭的傘降回收著陸而言，我國主要開展了基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統兩類方案的研究。

其中，中國運載火箭技術研究院研發中心與北京空間機電研究所共同開展了運載火箭一子級回收著陸系統的研究，采用群傘+氣囊回收系統的方案設計，完成了縮比級群傘系統原理樣機的研制并進行了高塔投放試驗、空投試驗，完成了縮比級緩沖氣囊原理樣機的研制并進行了著陸沖擊試驗（如圖5～6所示），可為后續工程研發與應用提供非常有價值的參考。

中國運載火箭技術研究院宇航系統工程設計部與北京空間機電研究所共同開展了運載火箭助推器安全回收系統的研究工作，目標是對運載火箭助推器實施精確可控的安全回收，以減小過去執行發射任務后火箭末級助推器落點不可控帶來的安全風險，減少落區疏散范圍，降低發射成本。該研究采用了可控沖壓翼傘系統實現運載火箭助推器可控回收，目前已完成系統論證和縮比樣機的演示驗證試驗（如圖 7所示），定點著陸精度達到百米量級[18-19]。

3 兩種典型的運載火箭傘降回收著陸系統

基于我國運載火箭可重復使用以及安全回收的需求分析，對于可重復使用運載火箭的回收需求，由于一級、二級以及助推器的質量比較大，一般而言可采用群傘回收的方案。對于陸地上著陸，在降落傘減速的基礎上還需要采用著陸緩沖措施，而緩沖氣囊是較好的選擇。基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統是適合于可重復使用運載火箭回收的典型方案。

對于運載火箭的安全定點回收而言，由普通降落傘組成的群傘基本不具備機動滑翔的能力，需要采用可控傘的回收方案。目前，沖壓翼傘是最為成熟且輕質高效的可控傘，因此基于沖壓翼傘的傘降回收著陸系統是適合于運載火箭安全定點回收的典型方案。

3.1 基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統

3.1.1 系統組成

基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統一般由降落傘子系統、緩沖氣囊子系統、回收控制子系統、火工作動子系統和結構子系統組成。

降落傘子系統一般包括引導傘系、減速傘系、主傘系以及相應的連接吊帶等。其中，引導傘可采用彈射出傘的方式，通過引導傘拉出減速傘，減速傘對運載火箭進行調姿與減速。達到一定的條件后將減速傘分離，利用減速傘的氣動阻力拉出主傘。減速傘與主傘均采用倒拉傘的方式開傘。當然，如果減速傘的面積需求不大，也可直接彈射開傘，則不需要設置引導傘。各級降落傘的數量需要根據回收的運載火箭質量及回收的初始速度、高度條件確定。由于緩沖火箭為細長體，為了給著陸緩沖創造條件，在主傘作用過程中應進行轉換吊掛，將回收的運載火箭箭體姿態由垂直方向調整為水平方向著陸。

緩沖氣囊子系統一般包括兩組緩沖氣囊以及其相關的高壓氣瓶、充氣管路系統等。兩組緩沖氣囊分別布置在運載火箭箭體的兩端，緩沖氣囊一般采用內外氣囊組合形式，在主傘張滿后穩定降落階段進行充氣。在觸地時，外氣囊對回收物的著陸沖擊起到緩沖作用。當外氣囊內的壓差達到一定壓力時，囊體上的排氣口打開，外氣囊開始向外排氣。內氣囊在外氣囊內部，其功能是作為回收物著地后的支承，使其不直接接觸地面。由于外囊體積較大，為了減小氣瓶的容積，可采用自吸氣式氣囊方案，即氣瓶僅對外氣囊的骨架和內氣囊充氣，外氣囊的主體部分在下降過程中由空氣充入。

回收控制子系統一般包括控制器、敏感器等單機。例如，某運載火箭一子級回收控制子系統定由靜壓高度敏感器器、姿態敏感器、過載開關以及回收控制器等單機組成。該回收系統通過靜壓高度敏感器及姿態敏感器獲取一子級的高度和姿態參數，通過回收控制器內置程序確定回收系統開傘啟動的時機，并依次發出彈傘、脫傘等一系列的指令。一子級著陸后，過載開關接通，回收控制器發出主傘脫離指令。

火工子系統一般由彈傘筒、解鎖器、垂掛釋放器、脫傘器等部件組成，屬于瞬時執行機構，工作可靠性高，實現降落傘彈射、分離、轉換吊掛等指令動作。

結構子系統一般包括降落傘傘艙、降落傘連接及分離機構、垂掛吊索、氣囊艙以及相應的各種安裝支座等。通過結構子系統，將降落傘、氣囊等裝置與運載火箭的主體結構進行安裝固定，并最終將降落傘的氣動力及氣囊的緩沖力傳遞到運載火箭的主體結構上。

3.1.2 工作程序

群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統需要以一定的程序先后開引導傘、減速傘、主傘以及緩沖氣囊等。以某一子級傘降回收著陸系統方案為例，其工作程序如下：

1）運載火箭一子級分離后飛行至最高點后按彈道式再入；

2）一子級降落至合適的開傘高度及姿態范圍時回收程序啟動，回收控制系統發指令動作，2只彈傘筒分別彈出各自引導傘；

3）引導傘迅速張滿并分別拉出各自的減速傘；

4）減速傘呈一級收口狀態，經過適當延遲解除收口并張滿；

5）減速傘工作適當的時間后，分離減速傘，并同時拉出3具主傘；

6）主傘呈一級收口狀態，經過適當延遲解除收口并張滿，逐漸達到穩降速度；

7）一子級由垂直吊掛轉換成水平吊掛；

8）在一子級著陸前緩沖氣囊打開，著陸緩沖后由內氣囊支撐火箭一子級，脫傘器工作分離主傘。

火箭一子級回收系統整個工作程序如圖8所示。

3.1.3 關鍵技術

基于群傘-緩沖氣囊的運載火箭傘降回收著陸系統，其關鍵技術即主要在大型群傘和氣囊兩個方面。

在大型群傘方面，關鍵在于群傘充氣同步性控制技術。群傘中，各個組成傘的充氣過程是否同步，基本上決定了群傘系統整體性能的優劣。如果群傘充氣同步性較差，會導致開傘載荷在各傘間的分布不均，嚴重時會使群傘系統中1個或幾個單具降落傘破壞失效。多傘同步充氣技術主要是改善群傘充氣的同步性，一般從提高單傘的充氣一致性和提高傘間動作的同步性兩方面采取措施，主要包括傘頂控制帶技術、集群傘包出傘、多級收口技術。

在大型緩沖氣囊方面，關鍵在于緩沖過程的排氣控制技術。通過建立氣囊緩沖過程的物理和數學模型，分析充氣壓力、排氣口開啟壓力、開啟時機、排氣口尺寸、著陸速度、回收物質量、氣囊初始高度、質量體積比等對緩沖過載、剩余速度及穩定性的影響，分析不同氣囊排氣控制方式對響應時間、緩沖性能和抗側翻能力的差異，以確定最優的排氣控制方案。氣囊排氣控制理想，不但能夠精確控制緩沖過載，同時能夠提高系統穩定性。排氣控制關鍵技術主要有排氣口的密封技術、多囊排氣口按預定程序開啟的控制技術及開啟延時的控制技術等。

除以上所提技術外，大型群傘和氣囊從結構設計、性能仿真分析、材料、加工及折疊包裝工藝以及試驗驗證技術等方方面面均涉及到關鍵技術環節，需要攻關解決。

3.2 基于可控翼傘的傘降回收著陸系統

3.2.1 系統組成

基于可控翼傘的傘降回收著陸系統一般由降落傘子系統、回收控制子系統、火工作動子系統、結構子系統和伺服操縱機構子系統組成。

降落傘子系統一般可采用引導傘、減速傘加可控翼傘的方案。引導傘用于拉出減速傘，減速傘用于將運載火箭回收物進行減速和穩定姿態，并在工作之后拉出可控翼傘。可控翼傘一般是采用沖壓翼傘，用于進一步降低回收物的速度，并使其具備一定的滑翔能力以完成定點機動飛行。沖壓翼傘的可控定點飛行是通過對其左右后緣進行下拉操作以控制其轉彎來實現的。當即將落地時，進行特定的左右后緣雙拉操作，可實現沖壓翼傘滑翔速度的迅速降低，以實現低速無損著陸，即常稱為的“雀降”。事實上，也可根據具體的需求，將減速傘設置為可控翼傘，在減速傘工作階段即進行回收物的機動滑翔下降。

回收控制子系統一般包括程序控制器、歸航控制器、伺服控制器（也可進行集成設計，具備相應的模塊）、敏感器以及相應的導航天線等單機。其中歸航控制器用于通過判斷回收體與目標著陸點的相對位置，實時輸出信號到伺服控制器控制執行機構動作，控制沖壓翼傘進行歸航飛行。

與上節基于群傘-緩沖氣囊的回收系統方案類似，火工作動子系統一般由彈傘筒、解鎖器、垂掛釋放器等部件組成，但一般不設置脫傘器來分離作為主傘的可控翼傘，可進一步收縮操縱繩長度，使可控沖壓翼傘在地面風的作用下不會拉動回收物。結構子系統一般包括降落傘傘艙、降落傘連接及分離機構、垂掛吊索以及相應的各種安裝支座等。

伺服操縱機構子系統主要包括伺服電機及伺服操縱機構等。伺服電機用于接收控制子系統的指令，與伺服控制器配套，按照歸航控制律的設置進行操作，帶動伺服操縱機構對翼傘左右后緣分別或同時進行操作。伺服操縱結構與翼傘的操縱繩連接，一般分成左拉、右拉兩套，通過改變翼傘操縱繩的長度以產生沖壓翼傘左右后緣的偏轉，以產生對應的轉彎氣動力矩，或“雀降”時氣動性能的迅速改變。

3.2.2 工作程序

基于可控沖壓翼傘的傘降回收著陸系統同樣需要以一定的程序先后開引導傘、減速傘、主傘等，不過與常規的降落傘系統不同，打開翼傘后需要進行定點歸航。

以某火箭助推器傘降回收著陸系統方案為例，其工作程序可分為兩個階段，第一階段為降落傘出傘階段，其工作程序如圖9所示，主要有：

1）助推器下降到一定高度后，回收控制指令發出，將引導傘彈出；

2）引導傘充滿后拉出減速傘，減速傘以收口方式工作；

3）減速傘收口工作一定時間后解除收口，全部張滿；

4）減速傘全部張滿工作一定時間后，將助推器由垂直吊掛轉換成水平垂掛裝置；

5）垂掛轉換完成后，減速傘繼續作用一定的時間后，將減速傘分離并拉出可控翼傘；

6）可控翼傘為沖壓翼傘，拉直后開始充氣；

7）為了降低開傘過載，沖壓翼傘充氣過程進行多級張開控制?？刹捎脤φ麄€翼傘面積的收口控制方式，或者對翼傘的多個氣室進行先后的打開控制；

8）沖壓翼傘全部充滿。

沖壓翼傘全部充滿后進入定點歸航階段，其工作程序如圖10所示，簡述如下：

1）歸航控制器的GPS或“北斗”等導航設備完成定位；

2）可控翼傘攜帶助推器向目標落點定向飛行；

3）進入目標落點附近，可控翼傘攜帶助推器進行盤旋消高；

4）為了降低水平著陸速度，通過控制使翼傘攜帶助推器進入逆風飛行狀態；

5）在特定高度，可控翼傘進行“雀降”操作，使助推器的下降速度進一步迅速降低；

6）助推器最終安全降落在指定的著陸區域內，可進一步收縮翼傘操縱繩，以減小地面風對翼傘的影響。

3.2.3 關鍵技術

基于可控沖壓翼傘的傘降回收著陸系統，其關鍵技術主要在大型沖壓翼傘和伺服操縱控制兩個方面。

在大型沖壓翼傘方面，首先要根據定點著陸的需求選擇合適升阻比的翼型，并且需充分分析柔性材料制成的翼傘最終能實現的滑翔比和穩定性。其次，為了保證滿足滑翔及轉彎操控的需求，并且達到綜合最優的效果，需要解決翼傘的結構設計技術。此外，與一般降落傘和小型翼傘相比，大型翼傘結構復雜，氣室很多，如果翼傘一次性充滿，會導致開傘動載過大、傘衣破損。因此大面積翼傘必須按照順序依次展開，并保證順利展開充氣。相應的翼傘收口及展開控制技術非常關鍵。

在翼傘的伺服操縱控制方面，由于翼傘面積的增大，操縱行程增大，同時也需要更大的操縱力來改變傘衣后緣的下拉量，如何滿足重量、功耗、體積等多方面的要求，是伺服操縱控制的關鍵難點。常用的電機和直流電源具有工作可靠，操控簡便，但以目前的技術水平，功率需求的增大將使得電源和電機質量和體積都急劇增加。因此開發高能電池和先進高效電機是應用的關鍵。除伺服電機操縱機構的方法以外，還可以采用液壓操縱機構、肌肉式收縮機構等先進方式。

除以上所提技術外，大型可控群傘的折疊包裝、飛行動力學分析及辨識、目標識別及自動歸航等亦存在較多的關鍵技術問題。

3.3 兩種傘降回收著陸系統的對比

以上所述，基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統都具有各自的特點。其中群傘-緩沖氣囊的方案適應的回收質量更大，整個回收著陸系統質量相對較低，且群傘系統中的各個傘互為熱備份，系統可靠性高，能夠適應較大質量可重復使用運載火箭子級或助推器的無損著陸需求。但是，基于群傘的方案在開傘后基本不具備機動性，屬于“隨風飄”的狀態，落點散布相對較大。此外，如果運載火箭回收的落點是海上，則可以取消緩沖氣囊以及相應的降落傘轉換吊掛裝置，回收系統質量將進一步降低。

基于可控翼傘的回收系統方案相對于常規降落傘系統需要增加配置電機、驅動器、操縱機構等設備。隨著回收質量的增加，翼傘面積需要更大，相應的操縱力需求也成比例增加，對應的伺服操縱及控制設備的質量也顯著上升，從而整個回收系統的質量相對較大。因此，基于可控翼傘的回收系統適用的最大回收質量相對群傘-緩沖氣囊方案有所減小。但是，可控翼傘系統可以實現運載火箭回收物的定點機動下降，有效減小落點散布，從而對運載火箭的落區需求有明顯降低，能夠更好地保障落區的財產安全。

總的來說，對于運載火箭的可重復使用需求，在不要求落點可控的情況下采用群傘-緩沖氣囊的方案較為合理。對于運載火箭的安全可控回收需求，則需要采用基于可控翼傘的回收系統方案。

4 結束語

可重復使用運載火箭對于回收著陸技術提出了明確的需求，回收著陸的方式有多種，其中基于傘降回收著陸的方案是重要的方向之一。本文介紹了國外運載火箭傘降技術的發展情況以及國內對應的發展情況，并對我國需求較為迫切的基于群傘-緩沖氣囊的傘降回收著陸系統以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統的方案進行了梳理。通過研究得出如下結論和建議：

1）傘降回收著陸技術是基于傳統構型的運載火箭回收的重要類型，長期以來美國、俄羅斯、歐洲等一直在開展相關的研究和應用，其中美國從航天飛機助推器到戰神運載火箭的回收系統是一脈相承的，而從俄羅斯的能源號運載助推器回收到歐空局的“阿里安5”固體火箭助推器回收也是延續的；

2）從國外研究情況來看，對于運載器海上回收的情況，利用降落傘將最終垂直著陸速度降低到不超過 27m/s，而不需采用著陸緩沖的手段；對于陸上回收的情況，除了利用降落傘減速外，還需要增加氣囊或反推發動機的著陸緩沖手段；

3）我國在運載火箭傘降回收著陸技術方面圍繞基于群傘-緩沖氣囊以及基于可控翼傘的傘降回收著陸系統的方案已經開展了較為全面的研究，取得了一定的進展，但與國外先進水平存在相當的差距，還需要加大投入、奮力趕超；

4）對于我國較大質量的可重復使用運載火箭的一子級、二子級的回收，在不要求落點可控的情況下建議采用群傘-緩沖氣囊的回收系統方案。對于運載火箭助推器的安全可控回收需求，建議采用基于可控翼傘的回收系統方案。

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The Summary of Launch Vehicle Parachute Recovery and Landing Technologies

HUANG Wei1,2
（1 National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the reusable launch vehicle becoming the hotspot in the field of spaceflight, the launch vehicle recovery and landing technologies get more attentions. There are three types of recovery and landing technologies for the traditional launch vehicle generally such as parachute return’ vertical return, and winged return. Each type has its own advantages and disadvantages. Although the parachute recovery and landing technologies have insufficient falling point precision, it has the advantages of high technology maturing, high reliability and low loss of carrying capacity and has been developed by the main space powers. This article studies the parachute recovery and landing technology, which is a very important aspect among the rocket recovery and landing technologies. The domestic and international developments of parachute recovery and landing technologies have been presented. The systems based on cluster parachute- attenuation airbags and steerable parafoil for rockets have been studied in China. The system schemes of these two types have been discussed, including the system composition, the working routine, the main key technical issues and the comparative analysis. Finally, the conclusion and suggestion were put forward.

sparafoil; airbag; cluster parachute; recovery and landing; launch vehicle; summary

V421.1

A

1009-8518(2017)03-0001-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.001

黃偉，男，1977年生，2002年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業碩士學位，研究員。研究方向為航天器回收著陸系統設計、系統試驗。E-mail： huangwei1977@139.com。

（編輯： 劉穎）

2017-03-20