超聲速降落傘工程應用的關鍵技術研究進展

王國輝，牟 宇，張 然，李 君，杜 濤

(1.中國運載火箭技術研究院 ，北京 100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100074)

0 引言

目前亞聲速降落傘技術工程應用已較為成熟，但隨著工程需求的發展，陸續提出了超聲速條件下開傘的需求，最為引人注目的應用場景為火星著陸(表1)和運載火箭子級/整流罩落區控制等。2021年7月作者所在團隊成功完成了一次整流罩落區傘降控制的高亞聲速開傘搭載試驗(圖1)，后續將進一步開展超聲速開傘試驗。超聲速條件下降落傘應用有著突出的優勢，但環境更為復雜，技術難度更大，并非目前亞聲速降落傘的簡單外推，對技術的分析和應用提出了更高的要求。近10年國內外開展了相關研究工作，取得了長足進展。本文立足于飛行試驗和型號應用的角度，總結國內外在這一領域的技術發展和最新進展，分析了降落傘在超聲速條件下應用的特殊性和關鍵技術，歸納了目前在技術上面臨的困難和取得的進展，供工程應用設計參考。

表1 火星探測項目使用超聲速降落傘情況[1]

圖1 整流罩落區控制高亞聲速開傘搭載試驗Fig.1 Parachute deployment on high subsonic condition for fairing landing area control

本文首先給出了降落傘在超聲速條件下工程應用的基本要求，歸納了超聲速降落傘的種類和基本問題，分析了工程研制中的關鍵問題，最后給出了工程應用建議。

1 降落傘超聲速條件應用的要求

降落傘在超聲速條件工程應用存在特殊性，需要滿足如下條件：

1)開傘充氣過程必須高效和連續；

2)超聲速和亞聲速條件下，均能良好工作；

3)對前置體提供較高的阻力，且主傘與前置體的運動穩定；

4)考慮高速顫振和空氣加熱等問題，經得住較高的開傘動載。

本文將圍繞實現上述要求，總結國內外對技術挑戰的認識和解決措施方面的進展。

2 超聲速降落傘的種類和基本特性

2.1 超聲速傘的種類

并非所有傘型在超聲速條件下都能正常工作，先簡要介紹能在超聲速條件下正常工作的傘型。

2.1.1 帶條傘

帶條傘有平面、環縫傘、波環傘、錐形和半流帶條傘等幾種。帶條傘的開傘動載較小，穩定性較高。

圖2 帶條傘[4]Fig.2 Ringsail parachute[4]

2.1.2 超聲速半流傘

半流傘傘衣在張滿狀態下，形狀趨于半球形，呈210°球面。超聲速下應力分布相對均勻，但其每幅為曲面，結構復雜，加工精度及難度較大。

圖3 半流傘[3-4]Fig.3 Half-flow Parachute[3-4]

2.1.3 盤縫帶傘

盤縫帶傘是開縫傘的一種，傘衣由平面圓形“盤”和圓筒型“帶”組成，中間由縫隙將兩者垂直分開(圖4)。傘衣幅呈扇形，盤的中間有通氣孔。盤縫帶傘在超聲速、低密度開傘條件和穩定性好，充氣性能優良，國外已成功實施的火星著陸任務均采用了盤縫帶傘。

圖4 盤縫帶傘Fig.4 Disk-gap-band parachute

2.1.4 導向面傘

在平面圓形傘傘衣底部延伸一個倒裝的錐形導向面，能使氣流分離，壓力分布對稱，穩定性好。但材料消耗多，工藝復雜，成本高。

圖5 導向面傘[3]Fig.5 Oriented face parachute[3]

2.1.5 十字形傘

十字形傘是由兩個矩形織物彼此直角相交而成，穩定性好，材料利用率高，制造簡單；但容易發生旋轉，導致結構受損，加工對稱性要求高。

圖6 十字形傘[9]Fig.6 Cruciform parachute[9]

2.2 超聲速傘的基本特性

傘的特性取決于傘的工作狀態(馬赫數及雷諾數)、結構形狀、前置體與傘系統的幾何特性等。

就結構形狀而言，在亞聲速段，半流傘、錐形帶條傘、導向面傘穩定性優于十字形傘、超聲速-X 形傘和盤縫帶傘。在超聲速段，導向面傘、錐形帶條傘和十字形傘在馬赫數1.5以下性能良好；半流傘在馬赫數1.5～2.5 范圍內仍具有良好的阻力特性和穩定性；盤縫帶傘可以良好工作到馬赫數2.7，之后呈現較大振動現象。

阻力特性是降落傘最重要的特性，超聲速下阻力系數呈現下降趨勢，原因在于傘的投影直徑隨馬赫數增加而減小(圖7)。在亞、跨聲速范圍內，結構形式和透氣量對傘的阻力系數影響顯著，透氣量減小會引起阻力系數的顯著增加(圖8)，但穩定性較差。MPF型傘比Viking型傘阻力低，但更穩定，擺幅更小。

(a) 亞聲速投影直徑

圖8 4種盤縫帶傘阻力系數隨馬赫數變化[7]Fig.8 Variety of drag coefficients of four parachute models according Mach number[7]

圖9為美國JPL在ASPIRE(Advanced Superso-nic Parachute Inflation Research Experiments)飛行試驗上獲取降落傘阻力特性變化的歷程，開傘工作馬赫數為1.64。傘繩拉直后，阻力系數快速升高到0.81，很快由于彈性回縮下降到0.55。經歷第二峰值后，阻力值保持在0.65～0.81之間，直到降落傘進入亞聲速范圍。

圖9 ASPIRE計劃飛行試驗測量獲得的阻力特性[11]Fig.9 The measured drag coefficient during flight in ASPIRE projection[11]

3 超聲速降落傘的關鍵問題

3.1 超聲速降落傘的傘繩問題

3.1.1 傘繩長度的影響

超聲速工作段，傘繩長度增加會增大傘的投影直徑，增大傘的阻力系數，增加穩定性。試驗表明，亞聲速傘的傘繩長度一般是傘衣名義直徑的0.8～1.1倍，而超聲速傘則是1.75～2.0倍，提高近1倍。

但傘繩長度的增加會大幅增加整傘質量，半流傘傘繩質量占整傘質量的 65%，同時占用較大容積，設計需要綜合考慮。

3.1.2 “繩帆”現象

“繩帆”是指降落傘在拉直過程中傘繩或傘衣偏離拉直方向，出現部分彎曲的現象(圖10)，可用傘繩偏離拉直工況條件下的最大偏離距離刻畫?！袄K帆”現象會改變拉直時間、過度增加拉直力，還有可能導致充氣時發生漏氣塌陷、非對稱充氣，甚至傘衣損壞等不可預測的現象。

圖10 “繩帆”現象示意圖Fig.10 The line sail phenomena sketch map

仿真顯示傘繩完全拉出時刻“繩帆”現象最為嚴重，彎曲主要發生在傘衣部分,如圖11所示。魯媛媛等仿真研究顯示，在超聲速條件下，開傘前馬赫數越大，飛行器攻角越大會加劇“繩帆”現象的發生,如圖12所示。因此一些工程項目對開傘的攻角有明確限制，甚至要求控制為0。

圖11 “海盜”號火星探測器開傘過程的“繩帆”仿真結果Fig.11 Line bowling simulation for Viking Decelerator System

(a) 飛行器攻角

3.2 流場激波的影響

流場復雜的激波結構是超聲速降落傘最顯著特性(圖13)。近年來，美國NASA及其合作小組研究，發現降落傘傘繩激波在傘繩附近形成，影響超聲速流的不穩定性，誘發柔性傘衣的“呼吸”振動(圖14)。

圖13 降落傘在馬赫數1.9流場中的紋影圖[10,19]Fig.13 Flow schlieren photography of parachute at Mach 1.9[10,19]

圖14 降落傘模型安裝在跨聲速風洞中[18]Fig.14 Model parachute installed in transonic wind tunnel test section[18]

3.2.1 激波與傘的通透性

如果正激波能夠被“吞”下，保持在傘衣底邊口部，如圖15所示，增大傘衣底邊的壓差，有利于傘衣投影面積和阻力增大，減小高速顫振，原因類似管流的壅塞消除現象。為了“吞”下激波，這就要求超聲速傘有較高的結構透氣量。試驗研究表明，半流帶條傘的透氣量超聲速條件下在17%～29%之間，而亞聲速則在 17%以下。

圖15 不同結構透氣量降落傘的激波位置對比[2,10]Fig.15 Shock wave location for parachutes with different structural permeability[2,10]

3.2.2 激波與傘的非定常相互作用

2014年日本JAXA在超聲速風洞上開展了來流馬赫數2.0下激波與傘之間相互作用的試驗。圖16給出了試驗降落傘傘衣前弓形激波不停波動的紋影圖，其中2.8～3.6 ms發生了大尺度變形，這是激波與邊界層相互作用的結果。

圖16 弓形激波大尺度變形的演化過程[19]Fig.16 Process of large scale deformation of bow shock[19]

薛曉鵬等采用固定的降落傘傘衣模型，開展了動態流動模擬，如圖17所示。結果顯示攻角的影響下，非定常流場結構呈現上下不對稱，并且上下傘繩激波形成時間不同步。流場的不穩定會導致傘衣的阻力出現不穩定狀態。圖18 為傘內上下表面平均壓力分布隨著攻角的變化。攻角=5°時，傘內上下面的壓力分布最小，而攻角為=10°的壓力反而有所上升。

(a) t=10T5/46 (b) t=14T5/46 (c) t=19T5/46

圖18 傘內上下表面平均壓力分布隨著攻角的變化Fig.18 Time-averaged pressure distribution of the canopy inside surface with different angles of attack

3.3 開傘過程

超聲速開傘過程是最為危險的階段。充氣過程是一個傘動能傳遞給周圍流體的過程，傘衣周圍的氣流沿著傘運動方向被加速，可能出現傘衣尾部氣流的速度大于傘系統的運動速度，出現尾流再附現象改變傘衣壓力分布，導致結構應力變化，傘衣塌陷。嚴重情況下誘發傘部件與有效載荷的纏繞。

3.3.1 開傘過程的風洞試驗模擬

降落傘的阻力系數和穩定性在跨聲速段發生劇烈變化，其氣動參數和穩定性較難準確獲得，需要通過試驗獲取。圖19提供了在FL-24 風洞中開展半流帶條傘的開傘過程試驗，先后經歷變形、傘繩拉直、傘衣展開充氣、傘衣形狀逐漸飽滿、充氣完成等過程。

(a) t=0.05 s (b) t=0.06 s (c) t=0.07 s

3.3.2 開傘過程的控制

開傘控制設計是超聲速減速傘設計的關鍵技術之一。常用的開傘控制方法主要有3 類： 純時間控制法、 過載-時間控制法和靜壓高度控制法。榮偉等研究認為過載-時間控制法技術簡單，并可克服其他方式對彈道的依賴性。

3.3.3 開傘過程的動載荷問題

對于無限質量情況，最大開傘動載可簡化成如下公式

最大開傘動載=··()·2

式中，為空氣密度；()為傘的阻力特征，為動載系數。

在亞聲速范圍內動載系數是常值，在高亞聲速或超聲速范圍內，由于空氣壓縮性、激波、顫振等因素綜合作用，動載系數非常復雜，難以精確預測。

為了進一步認識動載荷復雜性和危害，這里介紹美國JPL實驗室LDSD(Low-Density Supersonic Decelerators)項目的飛行試驗結果。兩次飛行試驗的傘體結構均由于動載荷發生破壞，如圖20所示。

圖20 LDSD超聲速飛行試驗概覽Fig.20 Supersonic flight dynamics test mission overview(LDSD)

第一次試驗降落傘在完全充滿狀態的設計載荷為80 000 lb(1 lb=0.454 kg)。飛行試驗中傘衣展開的早期，不足設計值的15%，傘衣即發生了撕裂，如圖21所示。

圖21 第一次試驗傘衣發生結構破壞Fig.21 Parachute fabric damage in the first LDSD project flight test

隨后對傘衣的設計載荷提高到166 000 lb，有1.5倍的載荷安全余量以覆蓋動態和非對稱性引起的載荷增加。飛行試驗之前通過了亞聲速火箭橇試驗。然而，在2015年的飛行試驗中，飛行極限載荷僅為設計載荷一半的情況下(大約為79 000 lb 載荷)降落傘結構依然發生破壞，如圖22所示。從中獲得最重要的教訓是準靜態分析方法得到的超聲速傘結構允許上邊界并不充分。

(a) 152.70 s (b) 152.87 s (c) 153.03 s

3.3.4 降落傘的拉直過程

降落傘的拉直過程是開傘的第一步，拉直過程定義為發火裝置點火到傘繩拉直。圖23提供了ASPIRE計劃在馬赫數1.64附近的降落傘展開過程，沒有糾纏，連接繩有較小的扭曲和解扭曲運動，會激發出橫波傳遞給降落傘的拉直過程。應力的尖峰出現在傘繩拉直后的1 s左右，如圖24所示。

(a) 0.100 s (b) 0.150 s (c) 0.200 s

圖24 吊帶上的應力和總載荷Fig.24 Tension on the triple bridle legs and total load after mortar fire

3.3.5 充氣過程

拉直過程完成后，進入傘衣充氣過程。充氣過程是一個幾何非線性與材料非線性并存的快速大變形狀態下結構動力學與復雜流體動力學相互耦合的復雜過程。時至今日依然無法準確地描述過程中的復雜物理現象。

圖25為ASPIRE飛行試驗充氣過程，以傘繩拉直為起始時刻。100 ms左右，部分傘衣肉眼可見地開始打開；200 ms左右，帶子向外膨脹。充氣結束時刻定義為降落傘第一次達到最大載荷，即圖24中的1.467 s時刻。隨后，傘衣大致穩定，大幅度自由振蕩。傘衣內部有小范圍振蕩。繞著盤和帶子循環著運動，1～2 s后被阻尼掉。

(a) 0.000 s (b) 0.100 s (c) 0.200 s

結合圖24的載荷歷程，可以認識到充氣過程的一個重要現象——“呼吸”現象。表現為傘衣像呼吸一樣周期性的一張一縮變化，此時傘衣的阻力不穩定，傘衣產生周期性波動，帶來物傘系統“喘振”，可能導致共振發生。

3.3.6 充氣過程的穩定性

高動態性導致充氣過程容易誘發不穩定性。圖26為超聲速傘充氣過程穩定和不穩定的風洞試驗紋影圖比較。充氣過程不穩定時候，降落傘與傘繩發生糾纏，充氣過程失敗，如圖26(a)所示。

(a) 不穩定充氣過程

王祁等開展了充氣過程的流固耦合分析，在馬赫數1.2 條件下充氣過程正常(圖27)，傘衣振蕩幅比較小，阻力變化較為平滑(圖29)。馬赫數2.8的充氣過程振蕩劇烈(圖28)，阻力也振蕩劇烈(圖29)，過度擴張導致的恢復力大于阻力，致使收縮過度，氣體進入量減少，開傘失敗。

圖27 降落傘充氣過程(Ma=1.2)Fig.27 Parachute inflating process (Ma=1.2)

圖28 降落傘充氣過程(Ma=2.8)Fig.28 Parachute inflating process (Ma=2.8)

(a) Ma=1.2

3.3.7 “抽鞭”現象

當頂部傘衣處于未充氣狀態，可能會出現彎曲及劇烈的甩動現象。形象地稱之為“ 抽鞭”現象，如圖30所示。“抽鞭”現象的危害表現在：

圖30 出現“抽鞭”現象的傘衣形狀[14]Fig.30 Problem aggravated by line bowing[14]

1)摩擦或者高速擊打導致傘衣破損；

2)部分傘衣從環縫鉆入下部傘衣/傘繩中，發生纏繞；

3)頂孔繩在高速運動過程中發生纏繞，導致傘衣破損，稱為頂孔纏繞；

4)傘衣非對稱充氣，導致假頂 。

2004年秋天，美國新一代的火星探測器降落傘回收系統進行了4 次高空空投試驗。主傘采用了頂孔控制帶 ，但在頭兩次試驗中，頂部均發生嚴重的回彈，傘衣破損和纏繞，造成落地速度過大，如圖31所示。

圖31 美國火星探測器降落傘第一次試驗Fig.31 Parachute first flight test for Mars explorer

解決“ 抽鞭”問題的基本思路是對傘衣頂孔部分進行控制，避免甩動，例如采用頂孔控制帶、牽頂傘和頂孔環。

3.4 顫振問題

在超聲速飛行過程中，“呼吸”和高頻顫振現象(傘繩抖振、傘衣喘振、帶條扭振及降落傘高頻擺振等)，容易導致降落傘縫合部遭受撕裂性破壞，甚至結構解體。為防止劇烈振動破壞，構件盡可能采用連續型結構，減少縫合部連接環節。主要承力部位縫合部的端頭，可采用橫向卡箍式包扎固定等措施，防止縫線剝離。材料選擇芳綸帶，減小伸長率，避免出現傘衣喘振、連接帶彈簧式抖振。

3.5 氣動熱分析

氣動加熱問題是超聲速飛行特有的關鍵性問題。李旭東等采用CFD對超聲速半流傘開展了氣動熱分析。圖32為4個不同工況下流場的溫度云圖，=2.0，=15 km 時，流場最高溫度是439 K；=3.3，=25 km 時，流場最高溫度是770.9 K。傘面溫度最高區域處于傘頂口附近內表面上。

(a) Ma=2.0, H=15 km

左光等采用流固耦合數值方法模擬了飛船再入在馬赫數為3，高度為27 km的超聲速條件下充氣過程，并采用結構網格求解了氣動加熱。傘船系統動態流場溫度分布云圖如圖33所示。

(a) t=0 s (b) t=2 s (c) t=4 s

研究顯示返回艙尾流使得穩定傘的流場來流溫度升高，傘面內表面氣動加熱比外表面更加嚴重。傘衣頂部在 6.83 s 時最高溫度達 441.1 K，如圖34所示。

圖34 頂部傘衣溫度變化Fig.34 Temerature variation of top canopy

3.6 飛行器流場尾跡的影響

降落傘處于飛行器的尾流區域，尾流對降落傘的工作有重要的影響，超聲速流場情況下，尾流更加復雜。圖35為亞聲速尾流和超聲速尾流比較。圖37給出了數值模擬馬赫數為2的來流條件下，返回艙下游的尾跡運動與降落傘流場的相互作用。飛行器尾跡流動的復雜性和非定常特性會導致傘衣周圍呈現復雜的渦流運動，加劇柔性傘衣大面積的強烈不對稱振蕩運動。

(a) 亞聲速尾流

超聲速工作段前置體的尾流對降落傘性能的影響較亞聲速工作段嚴重得多。一般將前置體尾部至傘衣進氣口距離與前置體的直徑的比值()定義為傘系統拖曳距離參數。試驗表明，超聲速段拖曳距離參數≥7，可避免前置體尾流的影響。而亞聲速段的拖曳距離，≥3即可。

圖36 探測器超聲速流尾跡流場結構[38]Fig.36 Explorer wake region supersonic flow structure[38]

圖37 返回艙和傘系統中心截面的速度和壓力分布圖[39]Fig.37 General flow features around the interacting surfaces. Isocontours indicate streamwise velocity and isolines indicate pressure[39]

前體飛行器是阻力的重要來源。表2給出了前置體的阻力占傘衣張滿狀態下的整體阻力的百分比，隨著馬赫數的增長，前置體所占百分比逐漸增多。

表2 前置體阻力貢獻比率[29]

王海濤等開展了尾流對穩定傘彈射拉直的影響分析，如圖38所示。如果不考慮尾流影響時約0.7 s 完成穩定傘的彈射拉直，而考慮尾流影響時則需要約0.9 s 才能完成。

圖38 傘包相對航天器位移變化(Ma=1.5)Fig.38 Displacement movement of parachute bag relative to spacecraft in the second instance (Ma=1.5)

4 結論

超聲速降落傘技術是一個正在蓬勃發展的領域，本文針對該項技術在工程應用要求、基本特性和關鍵技術等方面，對國內外研究進展進行了綜述。可以得到如下結論：

1)降落傘在超聲速條件下的應用，雖有技術難度，但是隨著航空和航天技術的高速發展，具有強烈的應用需求，成為推動這項技術從亞聲速向超聲速跨越的動力。

2)超聲速降落傘與亞聲速降落傘在設計方法、工作環境和技術要求上均有不同，超聲速降落傘需要針對應用環境進行新設計。

3)在總體方案論證時需對超聲速降落傘技術的風險和收益進行慎重比較和充分分析，具有較大應用風險的技術難題，建議通過開展總體優化控制風險，降低應用難度。

4)基于目前技術水平，降落傘允許的最高工作馬赫數不超過3.0。工作馬赫數越高，應用風險越大，建議以技術風險相對較低的馬赫數1.2～ 1.8作為應用起步。