我國載人航天器回收著陸技術(shù)發(fā)展

高樹義

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094) (2 中國航天科技集團(tuán)有限公司 航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

我國載人航天工程按照黨和國家確定的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略從1992年立項到2022年建成空間站，經(jīng)過30年的發(fā)展突破了大量的關(guān)鍵技術(shù)，建立起了具有中國特色、配套完備的載人航天工程體系。載人航天器回收著陸技術(shù)作為服務(wù)于返回艙再入后穩(wěn)定減速與安全著陸的技術(shù)，在載人航天任務(wù)中受需求拉動開發(fā)了艙傘組合體動力學(xué)模型，先后攻克了特大型降落傘、著陸緩沖、多模式回收著陸程序控制、非電傳爆彈蓋開傘等關(guān)鍵技術(shù)，不僅保障了載人航天任務(wù)的順利完成，確保了13名航天員安全返回地球，還有力推動了航天器回收著陸技術(shù)的發(fā)展。

載人航天器回收著陸技術(shù)是基于返回式衛(wèi)星回收技術(shù)、結(jié)合載人的特點(diǎn)發(fā)展形成的。飛船回收著陸相較返回式衛(wèi)星回收具有鮮明的特點(diǎn)和更高的要求，主要包括：回收質(zhì)量大，神舟飛船返回艙的回收質(zhì)量達(dá)3000 kg(返回式衛(wèi)星回收艙的質(zhì)量小于840 kg)；著陸速度低，飛船返回艙的著陸速度要小于3.5 m/s(衛(wèi)星回收艙的著陸速度要小于13 m/s)；回收起始狀態(tài)多，飛船回收著陸系統(tǒng)不僅要能適應(yīng)返回艙在正常返回狀態(tài)下的開傘要求，還要適應(yīng)返回艙在應(yīng)急返回和發(fā)射段各種逃逸救生狀態(tài)下的開傘要求。為此，回收著陸系統(tǒng)必須能適應(yīng)在很大的高度范圍(相對地面1300～12 000 m)、速度范圍(30～210 m/s)和動壓范圍(440～10 000 Pa)開傘工作(返回式衛(wèi)星的回收起始狀態(tài)較為單一，高度范圍為9400～13 000 m，動壓范圍為9700～13 600 Pa)[1]。載人航天工程中開發(fā)的載人航天器回收著陸技術(shù)是對我國航天器回收著陸技術(shù)體系的補(bǔ)充和發(fā)展。

本文論述了我國在載人航天工程開發(fā)的新型載人航天器回收著陸技術(shù)及其應(yīng)用情況；結(jié)合載人航天后續(xù)任務(wù)，展望了后續(xù)載人航天任務(wù)中回收著陸技術(shù)的發(fā)展方向。

1 載人航天工程中的回收著陸技術(shù)發(fā)展

回收著陸是載人航天活動的最后步驟，也是載人航天任務(wù)成敗的最終標(biāo)志。載人航天器回收著陸技術(shù)的內(nèi)涵主要是將再入地球稠密大氣層的返回艙(包括正常返回、應(yīng)急返回和應(yīng)急救生各種狀態(tài))，利用降落傘穩(wěn)定其運(yùn)動姿態(tài)、減低其下降速度，最后通過著陸緩沖等手段保證航天員軟著陸。載人航天工程“三步走”，對于回收著陸技術(shù)而言目標(biāo)是唯一的，就是要對返回艙可靠減速，確保航天員安全返回地球。飛船回收著陸過程如圖1所示。回顧載人航天器回收著陸技術(shù)的發(fā)展歷程，大體上可以分為以下2個階段。

圖1 飛船回收著陸過程示意Fig.1 Schematic diagram of recovery landing process of spacecraft

1.1 研制適合載人著陸特點(diǎn)的回收著陸系統(tǒng)

載人航天工程第一步就是要研制載人飛船，初步建立載人航天工程體系。載人飛船的回收著陸是載人航天基本技術(shù)之一，要滿足載人著陸特點(diǎn)，回收著陸系統(tǒng)在總體方案上應(yīng)具備自動控制、氣動減速、降落傘連接分離、著陸緩沖等功能，即通過回收著陸控制的智能化，自行判別回收狀態(tài)，自動選擇并執(zhí)行相應(yīng)的著陸程序，自主完成飛船著陸過程，原則上不依賴飛船上航天員的操作或地面人員的遙控操縱；通過降落傘裝置的氣動力減速，將返回艙的下降速度減至8～10 m/s，再通過著陸反推裝置的動力制動，使返回艙的著陸速度小于3.5 m/s；研制工作可靠、同步性好的傘艙蓋彈射分離裝置，確保側(cè)向開傘的可靠性；研制高性能特大型(1200 m2)降落傘，使返回艙(3000 kg)的穩(wěn)定下降速度為(7±1) m/s；配備備份降落傘裝置，作為主降落傘裝置的冷備份，并具有自主判別故障和執(zhí)行主備切換的功能，確保降落傘減速的可靠性；通過以熱備份方式配置著陸反推裝置和座椅緩沖裝置(由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)研制)，確保航天員軟著陸的可靠性[2]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，在研制中突破了特大型降落傘技術(shù)、靜壓高度開傘控制技術(shù)、著陸緩沖技術(shù)、多模式回收著陸程序控制技術(shù)、非電傳爆彈蓋拉傘技術(shù)、降落傘連接分離技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了適合載人著陸特點(diǎn)的回收著陸系統(tǒng)。這一階段涵蓋了從工程立項開始研制一直到神舟六號飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。

1.1.1 特大型降落傘技術(shù)

神舟飛船要求降落傘裝置能適應(yīng)于非常寬廣的使用范圍，不僅要適應(yīng)返回艙在正常返回狀態(tài)下工作條件的要求，還要適應(yīng)在軌應(yīng)急返回和發(fā)射段各種逃逸救生狀態(tài)的要求。神舟飛船降落傘裝置由主降落傘裝置和備份降落傘裝置組成，各裝置由引導(dǎo)傘組件(包括大引導(dǎo)傘和小引導(dǎo)傘)、減速傘組件、主傘組件和長、短垂掛吊帶組成，擔(dān)負(fù)著使3000 kg左右的返回艙速度由200 m/s減至8～10 m/s的主任務(wù)。為了簡化設(shè)計，主、備份降落傘裝置的引導(dǎo)傘組件和減速傘組件完全相同，僅備份降落傘裝置主傘的面積小于主降落傘裝置的主傘。各組件分別包裝，按序裝入主傘艙和備份傘艙。主(備份)降落傘裝置組成示意見圖2，降落傘裝置在傘艙內(nèi)布局示意見圖3，降落傘出傘程序示意見圖4。主降落傘的主傘和備份降落傘的主傘的收口阻力面積，減速傘的收口阻力面積和全展開阻力面積是在彈道分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮各級減速的過載值、留空時間、高度及各種故障模式等相關(guān)要求后綜合確定的，力求各級減速的過載值相當(dāng)，以便最大程度的降低各降落傘產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

圖2 主(備份)降落傘裝置組成示意Fig.2 Composition of main (backup) parachute device

圖3 降落傘裝置在傘艙內(nèi)布局示意Fig.3 Layout of parachute device in parachute cabin

神舟飛船主降落傘裝置中主傘的名義面積達(dá)到了1200 m2，是目前國內(nèi)面積最大的單傘。傘型選用環(huán)帆傘形式，是綜合考慮使用條件、維護(hù)條件、技術(shù)成熟度、技術(shù)繼承性，以及成本等多種因素后確定的，同時環(huán)帆傘具有開傘迅速可靠、開傘沖擊小、傘衣抗損傷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，采用了超薄錦綸材料、芳綸材料和高強(qiáng)聚乙烯材料來提高產(chǎn)品性能，制造中解決了超薄材料的縫縮和縫合效率問題、芳綸材料的縫紉問題等，包傘過程采用高壓包傘和全過程、全要素的質(zhì)量確認(rèn)措施，提高了降落傘包裝這一不可測試環(huán)節(jié)的可靠性和安全性。

由于降落傘織物的柔性特征，降落傘性能仿真研究涉及到流體力學(xué)與固體力學(xué)相互耦合的問題。該問題中影響降落傘織物變形的流場行為帶有高非定常性和強(qiáng)非線性，同時經(jīng)歷的是材料非線性、幾何非線性的大位移運(yùn)動，耦合計算中將面臨網(wǎng)格變形、流場/結(jié)構(gòu)信息傳遞、計算機(jī)處理能力等多項技術(shù)難題。為解決這一問題，提出了一種流固耦合(FSI)動態(tài)研究與計算流體力學(xué)(CFD)穩(wěn)態(tài)分析相結(jié)合的思想，即首先進(jìn)行一定簡化的FSI動態(tài)耦合計算，得到降落傘充滿后各織物單元的外形、運(yùn)動速度及入口參數(shù)，將其作為采用CFD穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)一步精確計算降落傘氣動性能參數(shù)的初始條件。該方法解決了大型計算問題的模型精確性、計算機(jī)處理能力及計算精度之間的矛盾。利用該方法對降落傘開傘過程進(jìn)行了大量的性能仿真，對降落傘開展了全面的設(shè)計驗(yàn)證及優(yōu)化。

圖4 降落傘出傘程序示意Fig.4 Procedure for parachute exit

空投試驗(yàn)是模擬飛行試驗(yàn)開傘條件對降落傘性能進(jìn)行全面驗(yàn)證的有效手段，由飛機(jī)在特定的高度、速度條件下投放空投模型進(jìn)而開傘驗(yàn)證。在特大型降落傘研制過程中，基于航彈模型和全尺寸返回艙模型兩類空投模型開展了降落傘設(shè)計方案驗(yàn)證、降落傘性能試驗(yàn)、降落傘強(qiáng)度驗(yàn)證、降落傘儲存壽命驗(yàn)證、回收著陸系統(tǒng)工作性能驗(yàn)證及降落傘批抽檢試驗(yàn)等多批次空投試驗(yàn)，全面驗(yàn)證了降落傘設(shè)計的合理性、工作的可靠性，獲取了大量寶貴的開傘過程影像資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有力支撐了特大型降落傘的技術(shù)攻關(guān)及工程研制。

1.1.2 靜壓高度開傘控制技術(shù)

開傘是回收著陸關(guān)鍵的第一步，如何選擇一個合適的開傘時機(jī)、采用何種開傘控制方法、怎樣控制好開傘時機(jī)是開傘控制技術(shù)中的幾個關(guān)鍵問題。如果開傘點(diǎn)太高，則有可能開傘動壓太大，降落傘開傘后被沖破；若開傘點(diǎn)太低，則有可能回收著陸系統(tǒng)的工作程序還沒完全完成，返回艙就已著陸。對于載人航天，為適應(yīng)飛船返回和救生多種狀態(tài)的開傘要求，高度控制開傘是唯一的選擇。依據(jù)飛船返回軌道，考慮在主降落傘裝置故障的情況下備份降落傘裝置還應(yīng)有足夠的工作高度，飛船正常返回、應(yīng)急返回、高空救生情況下將開傘點(diǎn)高度設(shè)計為10 km左右。

采用靜壓高度控制裝置感受外界大氣壓力的方法作為高度開傘控制方案，安裝于返回艙內(nèi)的靜壓高度控制器必須通過一個通道來感受外界大氣壓力，這個通道即為取壓孔。靜壓高度控制器作為高度控制裝置具有良好的開傘適應(yīng)性，但是需要通過大量風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真分析研究確定壓力系數(shù)與飛行參數(shù)之間的關(guān)系，以及取壓孔大小和位置選取的合理性。取壓孔在返回艙上的布局示意見圖5。

圖5 取壓孔在返回艙上布局示意Fig.5 Layout of pressure-measuring holes on spacecraft

對于指定的取壓孔大小和位置，壓力系數(shù)Cp與飛行參數(shù)的馬赫數(shù)Ma、返回艙攻角α、側(cè)滑角β密切相關(guān)，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真分析得到函數(shù)關(guān)系Cp=f(Ma，α，β)。取壓孔壓力系數(shù)仿真研究采用CFD數(shù)值仿真方法，基于流體力學(xué)納維-斯托克斯(N-S)方程模擬繞返回艙的空氣流動特性，同時根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來修正仿真模型。在獲得壓力系數(shù)的特性后，取壓孔中的氣壓P0可由式(1)確定。

P0=P∞+Q·Cp

(1)

式中：P∞為大氣靜壓，其值受著陸場地理位置及季節(jié)的影響；Q為大氣動壓，取決于返回軌道參數(shù)；Cp為壓力系數(shù)，其值受取壓孔位置、返回艙姿態(tài)及飛行馬赫數(shù)的影響。

采用CFD仿真方法及典型工況下的風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，確定了返回艙取壓孔壓力特征曲線。按返回艙上取壓孔位置和大小，在馬赫數(shù)Ma為0.5～0.9、返回艙攻角α為0°～30°、側(cè)滑角β小于8°的情況下,壓力系數(shù)Cp的變化范圍是-0.394 4～+0.540 2。綜合上述各種因素,又考慮到靜壓高度控制器第1組靜壓開關(guān)本身有±300 m的控制誤差，因此開傘點(diǎn)變化范圍的海拔高度為9.3～12.2 km。

首次研制的靜壓高度控制器為回收著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其可靠性成為焦點(diǎn)，采取了下列措施提高開傘控制的可靠性：對每個高度控制點(diǎn)采用3只靜壓高度開關(guān)“3取2”發(fā)信號；在使用中將第2組高度開關(guān)作為第1組高度開關(guān)的冷備份，即在正常返回工作程序里，若第1組(10 km)開關(guān)失效，則第2組高度(6 km)開關(guān)仍能啟動程序運(yùn)行下去。同樣，在中空救生程序里，若第2組高度(6 km)開關(guān)失效，則第3組高度(5 km)開關(guān)仍能啟動程序運(yùn)行下去。靜壓高度開關(guān)是由膜盒推動的簧片式微動開關(guān)，易在振動、沖擊環(huán)境中觸發(fā)脈沖信號，為此設(shè)置脈寬電路以濾除誤發(fā)信號，提高開傘信號的可靠性。

1.1.3 著陸緩沖技術(shù)

神舟飛船著陸緩沖系統(tǒng)由一套γ高度控制裝置和4臺著陸反推發(fā)動機(jī)組成。在國內(nèi)首次采用了固體反推發(fā)動機(jī)對飛船返回艙進(jìn)行著陸前的減速，采用γ光子測距技術(shù)精確控制發(fā)動機(jī)點(diǎn)火高度，實(shí)現(xiàn)航天員的安全返回，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。根據(jù)返回艙大底結(jié)構(gòu)，對γ高度控制裝置的安裝布局進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，一方面，確保γ光子信號能夠可靠地發(fā)射和接收，同步實(shí)施有效的γ射線防護(hù)設(shè)計，確保乘員及產(chǎn)品調(diào)試、返回艙回收過程中的安全；一方面，針對降落傘系統(tǒng)可能的工作模式，設(shè)計了2種工作程序通過“3取2”的冗余控制設(shè)計確保系統(tǒng)工作可靠。根據(jù)返回艙的緩沖要求及各單機(jī)的安裝布局、工作時間和性能精度，對各單機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行合理分配，確保返回艙落地時刻與發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時刻相匹配，保證返回艙的緩沖效果滿足飛船總體要求。反推發(fā)動機(jī)采用精確設(shè)計、動態(tài)調(diào)整的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，通過推進(jìn)劑燃速與裝藥尺寸的匹配技術(shù)保證在寬溫度范圍內(nèi)發(fā)動機(jī)的高性能精度；采用控制單臺發(fā)動機(jī)點(diǎn)火延遲時間的技術(shù)方案保證多臺發(fā)動機(jī)工作(或點(diǎn)火)的高同步性。研制出的發(fā)動機(jī)具有性能精度高、適用溫度范圍廣、多臺發(fā)動機(jī)工作同步性好、工作可靠性高等特點(diǎn)，滿足載人航天使用要求。此外，該套系統(tǒng)在水面上也能夠正常工作，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

返回艙著陸緩沖技術(shù)主要涉及動態(tài)精確測距、總體結(jié)構(gòu)安裝及布局、高精度反推發(fā)動機(jī)和點(diǎn)火高度控制算法等技術(shù)，目前主要用于神舟系列飛船，經(jīng)過了歷次飛行試驗(yàn)的考核驗(yàn)證。

1.1.4 多模式回收著陸程序控制技術(shù)

載人飛船回收著陸系統(tǒng)除要確保在正常返回情況下航天員的安全著陸，還要確保在發(fā)射段逃逸救生情況下航天員的安全著陸。由于飛船從豎立在發(fā)射臺待發(fā)射、發(fā)射升空、直至飛船入軌均有發(fā)生逃逸救生的可能，回收著陸系統(tǒng)需要滿足很大的飛行包絡(luò)要求。為此，回收著陸系統(tǒng)將發(fā)射段逃逸救生按高度劃分為3個空域，發(fā)生在10 km以上的逃逸救生為高空救生，發(fā)生在10～6 km的逃逸救生為中空救生，發(fā)生在6 km以下的逃逸救生為低空救生(含發(fā)射臺救生)。分析、比對返回艙的正常返回軌道、應(yīng)急返回軌道和高空救生返回軌道可知，雖然3種返回軌道的起始條件各不相同，但當(dāng)返回艙下落至10 km高度時速壓卻已降至一定限度內(nèi)，這對回收著陸系統(tǒng)來說可劃歸為同一種工作狀態(tài)。因此，回收著陸系統(tǒng)將整個任務(wù)剖面劃歸為正常返回(或高空救生)、中空救生和低空救生3種基本工作狀態(tài)，設(shè)計了正常返回(含高空救生)工作程序、中空救生工作程序、低空救生工作程序3種基本工作程序。

根據(jù)降落傘裝置采用“單傘加冷備份”模式的特點(diǎn)和程序控制裝置自身發(fā)生故障的可能，回收著陸系統(tǒng)又設(shè)置了多種故障模式工作狀態(tài)，規(guī)定了相應(yīng)的判別準(zhǔn)則，設(shè)計了與故障模式相應(yīng)的回收著陸工作程序，從而大大提高回收著陸系統(tǒng)的可靠性和安全性。回收著陸故障工作程序主要包括：正常返回主降落傘主傘包未出艙(故障模式1)、正常返回主降落傘主傘失效(故障模式2)、程序控制器失效(故障模式3)和中空救生主降落傘主傘包未出艙(故障模式4)、正常返回10 km高度開關(guān)失效、正常返回6 km高度開關(guān)失效、中空救生6 km高度開關(guān)失效及著陸后程序控制器自動復(fù)位8種故障模式。為此，回收著陸系統(tǒng)增設(shè)了主傘包行程開關(guān)、傘艙蓋行程開關(guān)、5 km高度開關(guān)等器件，以提供故障判別的依據(jù)。

為適應(yīng)上述多模式工作狀態(tài)的要求，首次采用了智能化的回收程序控制裝置，一旦加電，回收著陸系統(tǒng)立即啟動，自主工作，完成狀態(tài)識別、程序執(zhí)行以及故障檢測。

(1)自動判別返回艙所處狀態(tài)包括低空救生狀態(tài)、中空救生狀態(tài)、高空救生狀態(tài)或正常返回狀態(tài)。狀態(tài)一旦確定，系統(tǒng)自行選擇并運(yùn)行相應(yīng)的著陸程序。

(2)自動按程序執(zhí)行各項著陸動作，諸如拋蓋開傘、減速傘脫傘、拋防熱大底、吊掛轉(zhuǎn)換、γ高度控制裝置開機(jī)和著陸反推發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等。

(3)自行檢測系統(tǒng)故障，并自動進(jìn)行主備切換。回收著陸系統(tǒng)能自行檢測3種故障：①主降落裝置主傘包未被拉出傘艙-主降落裝置主傘未開傘，屆時切換至打開備份降落傘裝置；②主降落傘裝置主傘開傘后大面積破損-主降落裝置主傘喪失減速能力(由6 km至5 km高度區(qū)間，由返回艙的平均下降速度進(jìn)行判斷)，屆時切換至打開備份降落傘裝置；③在正常返回情況下，若發(fā)生回收程序控制器不發(fā)信號的故障，則待返回艙下落至5 km高度時，自行啟動機(jī)械式時間控制器發(fā)出打開主降落傘裝置的信號。

1.1.5 非電傳爆彈蓋拉傘技術(shù)

彈蓋拉傘是確保正常開傘的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傘艙蓋的彈射分離不但為出傘打開通道，而且要利用彈射賦予傘艙蓋的動能將引導(dǎo)傘拉直。傘艙蓋離開返回艙后即進(jìn)入返回艙尾流區(qū)中，其運(yùn)動規(guī)律主要取決于艙蓋在尾流場中所受到的氣動力。彈射分離設(shè)計的首要任務(wù)是確定能保證可靠分離的最小分離初速度。由于神舟飛船的傘艙蓋是沿著與返回艙縱軸呈43°夾角的斜后方彈射，彈射后的一段時間內(nèi)傘艙蓋處于返回艙繞流流場之中，并有可能處于尾流中，再加上傘艙蓋氣動外形的特殊性，使傘艙蓋分離動力學(xué)分析異常復(fù)雜，而傘艙蓋的分離還負(fù)有拉出引導(dǎo)傘的重任，使分離設(shè)計顯得更為重要。通過工程計算與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定了傘艙蓋的氣動特性；設(shè)置不同初始分離條件，求解傘艙蓋與返回艙相對運(yùn)動方程，確定了滿足分離準(zhǔn)則所需的最小分離初速度；在風(fēng)洞中進(jìn)行可控軌跡測量(CTS)試驗(yàn)，直觀地研究返回艙速度、姿態(tài)和傘艙蓋分離初速度等因素對傘艙蓋分離過程的影響。綜合分析風(fēng)洞試驗(yàn)和工程計算，結(jié)合地面彈射試驗(yàn)的結(jié)果，確定了神舟飛船傘艙蓋的最小分離初速度為16 m/s。

在工程實(shí)現(xiàn)上，傘艙蓋分離裝置由2組非電傳爆系統(tǒng)和16只彈射器組成，由非電傳爆系統(tǒng)將16只彈射器同時引爆、同步工作。采用16路非電傳爆系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火傳爆在回收著陸領(lǐng)域?qū)儆谑状危哂泻芨叩狞c(diǎn)火、傳爆可靠性，不同步時間可以小于1 ms，確保傘艙能夠平穩(wěn)分離；同時，由于采用非電傳爆原理，2組非電傳爆系統(tǒng)只要配置2只電起爆器，點(diǎn)燃非電傳爆系統(tǒng)岐管中的雷管進(jìn)而引燃16路導(dǎo)爆索啟動16只彈射器工作，較傳統(tǒng)每只彈射器配置2只電起爆器進(jìn)行點(diǎn)火起爆的方案可以為整船節(jié)省150 A電流的能量，較聯(lián)盟號飛船采用多路高壓氣體作彈射分離能量的方案結(jié)構(gòu)更簡化，可靠性安全性更高。

1.1.6 降落傘連接分離技術(shù)

飛船返回艙在回收著陸過程中通過降落傘進(jìn)行減速，降落傘連接分離機(jī)構(gòu)作為降落傘與返回艙間的連接件，除滿足可靠連接降落傘與返回艙的功能外，還要進(jìn)行脫減速傘、拉出主傘包、延時脫減速傘、拉動主傘包行程開關(guān)拔銷繩、返回艙單-雙點(diǎn)垂掛轉(zhuǎn)換及脫主傘等多項動作。為滿足飛船整體布局的要求，上述功能必須集成在一套連接分離機(jī)構(gòu)上，并安裝在傘艙內(nèi)的窄小空間內(nèi)。在以往國內(nèi)航天器回收系統(tǒng)中，從來沒有應(yīng)用過如此多功能集成、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的降落傘連接分離技術(shù)。由于受總體布局限制及多功能集成的要求，機(jī)構(gòu)的外形設(shè)計、功能設(shè)計難度都很大。

降落傘連接分離機(jī)構(gòu)由減速傘接頭、主傘接頭、連板、主傘連接桿、主傘包拉出桿、降落傘連接座、減速傘脫傘器、主傘脫傘器、延時脫傘器、垂掛釋放器等主要部件組成。在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，通過集成應(yīng)用多發(fā)火工裝置來完成降落傘連接分離機(jī)構(gòu)的多項功能。在進(jìn)行火工裝置設(shè)計時，摒棄了國外同類產(chǎn)品采用雙藥筒發(fā)火的設(shè)計思想，采用單主裝藥、雙發(fā)火元件的設(shè)計形式，既保證了產(chǎn)品的發(fā)火可靠性及功能裕度，又盡可能降低火工裝置工作時對結(jié)構(gòu)部分的沖擊，同時減小了火工裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，機(jī)構(gòu)的質(zhì)量也相應(yīng)得到減小。在飛船上提出并實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮、結(jié)構(gòu)變形緩沖與鎖定技術(shù)的綜合應(yīng)用方案，解決了分離后高速運(yùn)動承力銷的沖擊及反彈的技術(shù)難題，消除了由于承力銷反彈而導(dǎo)致降落傘不能正常分離的隱患。該機(jī)構(gòu)外形奇特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，一套機(jī)構(gòu)總質(zhì)量不大于24 kg；能夠承受各級開傘過載，所承受的最大開傘力為170 kN；主降落裝置主傘正常開傘時，通過主傘接頭的轉(zhuǎn)動拉動主傘包行程開關(guān)的拔銷繩，使行程開關(guān)發(fā)出接通信號，為控制系統(tǒng)判斷主降落傘裝置主傘包是否出艙提供先決條件；各活動零部件均設(shè)置限位裝置，保證初始安裝狀態(tài)準(zhǔn)確。

通過模擬真實(shí)工況下的加載試驗(yàn)及主降落傘裝置主傘包拉出力，測定考核了降落傘連接分離機(jī)構(gòu)的承載與傳力性能，并在加載到170 kN，再卸載到30 kN條件下，分別對減速傘脫傘器、延時脫傘器、垂掛釋放器進(jìn)行點(diǎn)火分離試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各承力銷分離迅速，銷子被鎖緊在緩沖套內(nèi)，裝置工作性能穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

1.2 提升仿真驗(yàn)證能力及特大型降落傘開傘控制可靠性

雖然在第一階段攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)，研制出了適合載人特點(diǎn)的回收著陸系統(tǒng)，并在飛行試驗(yàn)中均獲得了成功，但是主降落傘裝置工作后傘衣存在少量局部破損，雖不影響任務(wù)成敗，但對其破損機(jī)理及可靠性控制措施還需要深入研究；降落傘工作邊界條件是否包絡(luò)，以及回收著陸系統(tǒng)可靠性評估理論和方法，還需要進(jìn)一步研究。為此，在第二階段開展了回收著陸半實(shí)物仿真技術(shù)、特大型降落傘高可靠開傘控制技術(shù)及回收著陸系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)的研究，在此基礎(chǔ)上對回收著陸系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，建立了載人航天工程第二步、第三步走中回收著陸系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)基線，圓滿完成了神舟七號至神舟十三號飛行試驗(yàn)任務(wù)。

1.2.1 回收著陸半實(shí)物仿真技術(shù)

由于回收著陸系統(tǒng)具有工作時序邏輯復(fù)雜、工作模式多樣等特點(diǎn)，有限次數(shù)的飛行試驗(yàn)和空投試驗(yàn)難以對其所有模式下的工作性能進(jìn)行充分的驗(yàn)證，如果要對回收的各種故障模式進(jìn)行地面試驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證，需要耗費(fèi)大量的資金和時間，而且驗(yàn)證試驗(yàn)中的許多試驗(yàn)條件是很難保證的，如氣動偏差、大氣環(huán)境偏差和各種返回姿態(tài)等，因此非常有必要開展回收著陸半實(shí)物仿真技術(shù)研究，研制出一套半實(shí)物仿真系統(tǒng)，對回收著陸過程開展半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以分為6個子系統(tǒng)，分別為回收著陸仿真子系統(tǒng)、程控自動測試與輸入/輸出(I/O)子系統(tǒng)、環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)和回收程序控制裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Strcture of hardware-in-loop simulation system for recovery landing system

在考慮仿真試驗(yàn)覆蓋性的情況下，制定了飛船回收著陸半實(shí)物仿真試驗(yàn)項目，開展了正常返回(含高空救生)仿真試驗(yàn)、中空救生仿真試驗(yàn)、低空救生仿真試驗(yàn)、故障仿真試驗(yàn)和偏差仿真試驗(yàn)，共5類92個仿真試驗(yàn)，得出了過去從未得到的主傘最大開傘力及最低、最高開傘高度等重要數(shù)據(jù)，為神舟飛船回收著陸系統(tǒng)性能評估提供了重要數(shù)據(jù)支持。

1.2.2 特大型降落傘高可靠開傘控制技術(shù)

載人飛船一期工程中，在歷次飛行試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后的主降落傘裝置主傘傘衣均有不同程度的局部破損。通過分析研究，認(rèn)為此種特大型降落傘的破損主要發(fā)生在降落傘開傘過程中。在開傘過程中，出現(xiàn)了傘衣與傘包、傘衣與傘衣之間的高速摩擦、傘頂甩鞭抽打下部傘衣等不可控的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傘衣破損。為減少主傘的損傷，提高主傘的可靠性，必須發(fā)展高可靠開傘控制技術(shù)，主要包括牽頂傘與傘頂控制帶結(jié)合的預(yù)充氣控制技術(shù)、傘衣保護(hù)布及傘頂捆扎技術(shù)[3]。

1)牽頂傘與傘頂控制帶結(jié)合的預(yù)充氣控制技術(shù)

對主傘進(jìn)行預(yù)充氣控制，就要在主降落傘裝置主傘預(yù)充氣階段在其頂部施加一個牽引力，抑制傘衣頂部的甩動，保證傘衣充氣的對稱性。經(jīng)分析比較不同牽引方式的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終采用牽頂傘和傘頂控制帶相結(jié)合的技術(shù)。該項技術(shù)克服了牽頂傘只能在預(yù)充氣的后段為主傘頂部提供牽引力，以及傘頂控制帶結(jié)構(gòu)質(zhì)量大的缺點(diǎn)，集合了各自的優(yōu)點(diǎn)。在研制過程中，攻克了牽頂傘傘型及材料選用、傘頂控制帶與牽頂傘傘包的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計及牽頂傘失效時機(jī)等難題。經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，牽頂傘確定為名義面積1 m2的低透氣量的無肋導(dǎo)向面?zhèn)悖瑺宽攤憬Y(jié)構(gòu)示意見圖7。該傘能夠在主傘初始充氣的大部分時間內(nèi)對主傘頂部施加足夠的牽引力，防止主傘頂部產(chǎn)生回彈，且充氣迅速，穩(wěn)定性好，能夠滿足主傘預(yù)充氣時間短、充氣形狀對稱性好的要求。牽頂傘必須在主傘尾流區(qū)外才能有效工作，因此牽頂傘與主傘頂部之間的傘頂控制帶要有足夠的長度，牽頂傘工作前由傘頂控制帶提供牽引力，為此，傘頂控制帶設(shè)計成剝離帶的結(jié)構(gòu)型式，與傘包進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。傘包分為內(nèi)包和外包，控制帶縫制在外包上，不工作時作為外包結(jié)構(gòu)的一部分。控制帶工作后，外包結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)包具備解除封包條件牽頂傘才得以開傘。傘頂控制帶控制開傘過程示意見圖8。牽頂傘的失效時機(jī)應(yīng)在主傘預(yù)充氣結(jié)束后，不能過早，也不宜過晚。失效過早，不能達(dá)到控制預(yù)充氣狀態(tài)的目的；失效過晚，說明傘頂控制帶過長，增大了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。通過仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)等研究，最終通過調(diào)整傘頂控制帶長度優(yōu)化了牽頂傘失效時機(jī)的選擇。

圖7 牽頂傘結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of towing top parachute

圖8 傘頂控制帶控制開傘過程示意Fig.8 Control belt on top of parachute controls process of opening parachute

2)傘衣保護(hù)布及傘頂捆扎技術(shù)

通過在主降落傘裝置主傘傘衣外包裹一層傘衣保護(hù)布，使傘衣和傘包隔離，達(dá)到避免傘衣與傘包高速摩擦、減少傘衣?lián)p傷的作用。該項技術(shù)在國內(nèi)也是首次采用。在研制過程中，通過對保護(hù)布結(jié)構(gòu)和縫合方式的多種設(shè)計方案進(jìn)行大量的試驗(yàn)對比，攻克了保護(hù)布可靠安全解除這一難題。傘衣保護(hù)布是一塊綢布，縫制在傘衣的某根徑向帶上。當(dāng)傘衣在包傘臺上折疊好后，用這塊保護(hù)布將折疊好的傘衣包裹起來，然后用縫線將保護(hù)布縫合，之后才將傘衣裝填入傘包。圖9為傘衣保護(hù)布在傘衣上的安裝簡圖。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究，確定傘衣保護(hù)布縫合的方式為隔一段長度縫紉一段。因?yàn)樵囼?yàn)表明：在開傘過程中，連續(xù)縫紉的縫線會堆積在一起，增加了保護(hù)布縫線破壞的難度，縫線不易被破壞，保護(hù)布有可能打不開，從而導(dǎo)致傘衣不能正常充氣，反而會引起傘衣的大面積損傷。圖10為傘衣保護(hù)布包裹傘衣與縫紉簡圖。

圖9 傘衣保護(hù)布簡圖Fig.9 Parachute canopy protective cloth sketch

圖10 傘衣保護(hù)布包裹與縫合簡圖Fig.10 Parachute canopy protective cloth wrapping and sewing diagram

為限制傘衣頂部在開傘過程中成團(tuán)狀拉出傘包，將傘衣頂部捆扎在傘包內(nèi)。傘頂捆扎技術(shù)的難題為：在高壓包傘及高速開傘條件下，傘頂捆扎數(shù)量、捆扎方法及捆扎強(qiáng)度的匹配。傘頂捆扎數(shù)量不能過多，如果過多，在高壓包傘過程中，傘衣的移動會提前引起捆扎繩的崩斷。如果捆扎方法不當(dāng)，將有捆扎繩滯留在傘包內(nèi)，不但不能減少傘衣的破損，反而會引發(fā)更多的傘衣破損。捆扎繩強(qiáng)度不能過大，以免引起保護(hù)布的破損；也不能過小，以免在高壓包傘過程中提前崩斷。為解決此難題，反復(fù)進(jìn)行了高壓包傘試驗(yàn)和主傘地面彈射試驗(yàn)，最終解決了此難題。傘衣捆扎原理示意見圖11。

圖11 傘衣捆扎原理示意Fig.11 Schematic diagram of binding principle of parachute canopy

改進(jìn)后的主降落傘裝置主傘經(jīng)多次空投試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施有效，能夠大幅降低傘衣局部破損。圖12為改進(jìn)前后主傘的開傘過程對比圖。可以看出：改進(jìn)前，主傘在預(yù)充氣過程中傘頂會出現(xiàn)魚鉤狀的甩動；改進(jìn)后，傘衣上部的運(yùn)動受到牽頂傘的制約，傘頂沒有出現(xiàn)勾狀甩動。改進(jìn)后的主傘摩擦痕跡大幅減少，傘衣破損減少了約70%。

圖12 改進(jìn)前主傘與改進(jìn)后主傘開傘過程對比Fig.12 Comparison of opening process before and after improvement of main parachute

1.2.3 回收著陸系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)

由于飛船返回艙在返回的過程中處于高速運(yùn)動之中，而且回收著陸系統(tǒng)工作時高度較低，這就使得回收著陸系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)故障征兆的實(shí)時性差，外界無法采取營救措施，為了提高回收著陸系統(tǒng)工作的可靠性和安全性，對于回收著陸系統(tǒng)本身所有可以預(yù)見的故障均要有相應(yīng)的補(bǔ)救措施，這樣就使得回收著陸系統(tǒng)的工作程序和組成關(guān)系非常復(fù)雜，從而給回收著陸系統(tǒng)可靠性模型的建立和可靠性的準(zhǔn)確評估等帶來了很大的困難。同時，回收著陸系統(tǒng)產(chǎn)品的種類較多，包括機(jī)械產(chǎn)品、電子產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品、火工裝置、降落傘等，各產(chǎn)品的工作特點(diǎn)也不盡相同，同樣給單機(jī)產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性評估帶來困難。為此，必須開展回收著陸系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)研究，主要包括降落傘減速裝置可靠性評估、回收著陸系統(tǒng)可靠性建模技術(shù)、回收著陸系統(tǒng)可靠性分配技術(shù)及回收著陸系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)折算技術(shù)。

(1)降落傘減速裝置可靠性評估。降落傘減速裝置是載人飛船回收著陸系統(tǒng)的核心部分，直接關(guān)系到航天員的生命安全，要求具有很高的可靠性。針對降落傘減速裝置可靠性受人為因素影響多、受外界因素影響大、開傘過程可靠性特征量描述困難的特點(diǎn)，結(jié)合載人飛船降落傘減速裝置實(shí)際工程研制過程中的驗(yàn)證試驗(yàn)情況，提出了一種基于貝葉斯思想、融合飛船降落傘減速裝置強(qiáng)度試驗(yàn)信息和系統(tǒng)級空投試驗(yàn)信息的可靠性評估方法，較好地解決了降落傘減速裝置的可靠性量化評估問題，較以往評估方法更加符合工程實(shí)際情況且理論背景明確，評估結(jié)果也更加貼近產(chǎn)品的真實(shí)狀況。

(2)回收著陸系統(tǒng)可靠性建模技術(shù)。針對回收著陸系統(tǒng)邏輯關(guān)系復(fù)雜和順序運(yùn)行的特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)可靠性分析方法難以應(yīng)用的狀況，定義了一種新的可靠性模型——和聯(lián)模型，并在此基礎(chǔ)上采用事件樹分析方法，成功地建立了載人飛船回收著陸系統(tǒng)的可靠性模型和故障樹，較以往的簡化模型更加準(zhǔn)確、合理，更加真實(shí)地反映了回收著陸系統(tǒng)的邏輯關(guān)系。

(3)回收著陸系統(tǒng)可靠性分配技術(shù)。針對現(xiàn)有可靠性分配方法難以適用回收著陸系統(tǒng)的問題，提出了基于可靠性重要度和難度的逐步分配法，以及基于優(yōu)化算法的最小難度分配法，解決了載人飛船回收著陸系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的合理分配問題，較以往的試湊法更加方便、快捷。

(4)回收著陸系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)折算技術(shù)。由于回收著陸系統(tǒng)產(chǎn)品種類多，各產(chǎn)品的工作特點(diǎn)及其可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布也不盡相同，包括了成敗型、單邊性能限型、雙邊性能限型、應(yīng)力-強(qiáng)度型和指數(shù)壽命等。在進(jìn)行系統(tǒng)綜合評估時，需要將非成敗型數(shù)據(jù)折算為成敗型數(shù)據(jù)。為了便于進(jìn)行回收著陸系統(tǒng)的系統(tǒng)綜合可靠性評估，提出了基于優(yōu)化算法的優(yōu)化兩點(diǎn)法和多點(diǎn)優(yōu)化法2種折算方法進(jìn)行可靠性數(shù)據(jù)折算。這2種方法在原始位置分布上選取多個已知的折算控制點(diǎn)，并取這些位置點(diǎn)上的誤差平方和作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而利用優(yōu)化算法求解使目標(biāo)函數(shù)最小的等效成敗型數(shù)據(jù)，解決了常規(guī)折算方法的不適應(yīng)性或精度差等問題，大幅度提高了回收著陸系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性綜合評估的精度。

1.3 載人航天器回收著陸技術(shù)發(fā)展小結(jié)

回顧載人航天器回收著陸技術(shù)發(fā)展歷程，為了適應(yīng)載人的特點(diǎn)，滿足確保航天員安全返回地球的需求，回收著陸系統(tǒng)先后攻克了特大型降落傘、著陸緩沖、靜壓開傘高度控制、多模式回收著陸程序控制、非電傳爆彈蓋開傘等關(guān)鍵技術(shù)。在國內(nèi)航天器領(lǐng)域首次采用了降落傘減速和反推發(fā)動機(jī)制動相結(jié)合的技術(shù)，使返回艙接近零速度著陸，確保了返回艙的完好回收和航天員的生命安全；研制成功了國內(nèi)面積最大、相對質(zhì)量最小，開傘程序控制、加工和包裝工藝最復(fù)雜、最難，開傘動壓包絡(luò)范圍最大的降落傘；具備自動判別返回艙所處狀態(tài)(包括正常返回、應(yīng)急返回、零高度逃逸救生、低空救生、中空救生和高空救生多種回收初始狀態(tài))和自行選擇相應(yīng)的著陸程序的功能；具有自行檢測故障并自動進(jìn)行主備切換的功能；采用了高度控制方法控制開傘，避免了對返回彈道的依賴，系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，控制精度也大為提高。同時，在研制過程中，開創(chuàng)性地建立了航天器回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了回收著陸設(shè)計預(yù)示和分析驗(yàn)證，解決了極限工況下空投試驗(yàn)難以模擬的難題。其中，運(yùn)用多體動力學(xué)理論和分層建模方法，綜合分析傘衣傘繩材料彈塑性特征，建立了完整的回收著陸過程動力學(xué)理論模型，解決了柔性體的非線性和大變形的建模難題；系統(tǒng)研究了傘艙蓋分離及拉傘包過程的動力學(xué)特性，建立了完整的傘艙蓋分離及拉傘包過程動力學(xué)模型；在考慮材料非線性特性的條件下，建立了大型傘拉直開傘過程3維、多階段、多節(jié)點(diǎn)的“抽鞭”現(xiàn)象理論模型，深入研究了抽打現(xiàn)象的形成機(jī)理，提出了牽頂傘與傘頂控制帶結(jié)合等抑制大型降落傘頂部抽打現(xiàn)象的技術(shù)措施，達(dá)到了避免傘衣抽打、提高特大型降落傘拉直過程可靠性的目的；基于信息折合，提出了一種融合降落傘強(qiáng)度試驗(yàn)和系統(tǒng)級空投試驗(yàn)信息的可靠性分析與評估方法，解決了降落傘可靠性量化評估的問題[4]。

2 回收著陸技術(shù)發(fā)展的需求與展望

我國在完成空間站建造任務(wù)后，將進(jìn)入空間站運(yùn)營階段，同時以載人登月為代表的載人空間探測將成為我國載人航天下一個奮斗目標(biāo)。

對于空間站運(yùn)營中的神舟飛船，隨著航天員在空間站任務(wù)的拓展，停靠空間站的時間已由3個月延長到6個月，以后可能還會增加，對于以特紡材料為主構(gòu)成的降落傘裝置產(chǎn)品，其性能必須能夠經(jīng)受住在軌貯存時間和環(huán)境的要求，目前僅是通過地面1∶1的模擬在軌時間和溫度交變的工程方法進(jìn)行驗(yàn)證，對織物材料失效分析表征手段、方法還需要深入研究，亟需建立快速且可靠的評估特紡材料壽命的加速評估技術(shù)。由于航天員在軌時間增長，返回著陸后重力再適應(yīng)對生理造成了極大挑戰(zhàn)，需要著陸搜救人員能夠盡快到達(dá)返回艙著陸點(diǎn)對航天員開展醫(yī)監(jiān)醫(yī)保工作，而要做到這一點(diǎn)，返回艙著陸點(diǎn)精度是關(guān)鍵指標(biāo)，對于以后的神舟飛船回收著陸系統(tǒng)可以考慮采用大型可控翼傘技術(shù)。此方案在神舟飛船論證初期曾提出過，但由于可控翼傘技術(shù)復(fù)雜，當(dāng)時的技術(shù)基礎(chǔ)還薄弱而沒有最終采納，隨著近幾年大型可控翼傘技術(shù)的發(fā)展，已研制出300 m2的大型可控翼傘系統(tǒng)并成功應(yīng)用于某火箭助推器的安全可控回收中，因此大型可控翼傘系統(tǒng)應(yīng)用于神舟飛船回收著陸已具備技術(shù)條件。由減速傘、沖壓翼傘和歸航控制裝置組成的可控翼傘著陸系統(tǒng)，可使返回艙飛抵預(yù)選的目標(biāo)區(qū)內(nèi)“雀降”著陸，并使返回艙的著陸精度由現(xiàn)在的千米級提高到百米級。

我國空間站進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營與應(yīng)用階段后，為豐富空間站貨物運(yùn)輸途徑，可探索發(fā)展低成本貨物運(yùn)輸手段，形成對基本物資運(yùn)輸系統(tǒng)的必要和有益補(bǔ)充，構(gòu)建起靈活高效、形式多樣、成本低廉的貨物運(yùn)輸體系。應(yīng)用充氣式再入與減速技術(shù)(IRDT)的裝置或系統(tǒng)，是基于空間充氣展開柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，結(jié)合返回著陸技術(shù)特點(diǎn)，集成了航天器再入減速過程中的熱防護(hù)、氣動減速、著陸緩沖、水上漂浮等功能，高效地實(shí)現(xiàn)了再入(或進(jìn)入)、降落和安全著陸的要求，降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和發(fā)射所需體積的要求，能有效降低研制成本和縮短研制周期，可作為低成本空間站貨物運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)手段之一。該項技術(shù)還可應(yīng)用于未來載人火星探測進(jìn)入減速過程中，在完成減速的同時大大降低火星著陸器的質(zhì)量。

我國載人月球探測任務(wù)中要研制新一代載人運(yùn)輸飛船，回收質(zhì)量由神舟飛船的3.5 t提高到7.5 t，乘員從3人增加到7人，如果仍采用單傘系統(tǒng)減速方案，則需求的降落傘面積將會達(dá)到3000 m2左右，而如此大面積單具降落傘的加工工藝、特紡材料性能、折疊包裝都會帶來難以突破和解決的問題，導(dǎo)致單傘系統(tǒng)方案和可靠性均不能滿足減速需求，因此必須要開展大型群傘減速技術(shù)研究，突破大質(zhì)量超大尺寸航天器群傘系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、特大型群傘多物理場耦合高精度仿真分析、群傘系統(tǒng)開傘同步性和載荷一致性控制、特大型群傘性能空投驗(yàn)證等技術(shù)難題。新一代載人運(yùn)輸飛船還要滿足多次重復(fù)使用的要求，這需要返回艙配置兼具緩沖性能和防護(hù)艙體結(jié)構(gòu)的著陸緩沖裝置，由于緩沖氣囊在著陸時與地面有相當(dāng)大的反作用力接觸面積，受壓縮的行程大，因而緩沖的加速度峰值小，緩沖效果明顯；它一旦起動，其展開和整個緩沖工作過程自動完成，可靠性高，且工作后緩沖氣囊系統(tǒng)中不排氣的內(nèi)囊對返回艙大底還能起到防護(hù)作用。因此，需要發(fā)展大載重氣囊著陸緩沖技術(shù)，突破氣囊緩沖過程精確充氣及排氣控制、緩沖系統(tǒng)子氣囊之間的聯(lián)動設(shè)計、高強(qiáng)度多腔體氣囊賦型設(shè)計、氣囊緩沖過程過載及穩(wěn)定性控制、氣囊折疊展開及緩沖過程仿真等技術(shù)難題。

3 結(jié)束語

載人航天工程的成功實(shí)施，推動了我國航天器回收著陸技術(shù)的長足發(fā)展，基本形成了我國載人航天器開傘點(diǎn)控制、多模式程序控制、高可靠減速與高效著陸緩沖的回收著陸技術(shù)體系。展望后續(xù)我國載人航天任務(wù)，建議進(jìn)一步提升大載重返回艙回收的能力，發(fā)展大型群傘減速技術(shù)；提升返回艙無損著陸能力，發(fā)展大載重緩沖氣囊技術(shù)；提升返回艙著陸精度，發(fā)展大型翼傘精確定點(diǎn)回收技術(shù)；提高降落傘開傘過程和艙傘組合體動力學(xué)仿真能力，發(fā)展進(jìn)入減速與著陸數(shù)值模擬技術(shù)；開展進(jìn)入減速新手段、新方法研究，發(fā)展充氣式再入與減速技術(shù)等。

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