航天器降落傘回收系統典型故障案例淺析

黃 偉

(1.北京空間機電研究所，北京 100094；2.中國航天科技集團有限公司航天進入減速與著陸技術實驗室，北京 100094)

1 引言

對于進入/返回式航天器而言，由于降落傘具備減速效率高、占用空間小、重量輕等優點，因此航天器進入被大氣所包圍的星體時，采用降落傘進行氣動減速，保證其在星體表面安全著陸是最為廣泛的技術手段。降落傘回收系統是否正常工作直接影響航天器安全著陸，對整個航天器飛行任務的成敗起到決定性作用。在航天器減速下降過程中，降落傘回收系統的工作過程是不可逆的，即使如載人飛船設置有備份降落傘，在由主份切換到備份的過程中，飛船返回艙的高度也一直下降，即安全救生高度一直在損失中。因此，降落傘回收系統的可靠性至關重要。

在全球航天技術發展歷程中，出現過一些降落傘回收系統的故障問題，輕則影響工程進度，帶來一定成本損失，重則導致航天器回收失敗，甚至航天員犧牲，代價巨大。對航天器降落傘回收系統的故障問題進行系統研究，有利于提升航天器降落傘回收系統可靠性設計和風險控制水平。本文對此進行初步探討，結合航天器降落傘回收系統的主要工作環節，對國內外航天器降落傘回收系統出現過的一些典型故障問題進行梳理歸納，旨在對航天器降落傘回收系統的設計和風險控制提供有益參考。

2 典型工作環節

根據航天器不同的功能特點、工作條件、指標要求、設計約束等因素，采取的降落傘回收系統方案也多種多樣，但一般而言，降落傘回收系統主要由降落傘、結構機構、回收控制、火工裝置等組成，共同實現降落傘安裝、開傘控制、彈射、拉直、充氣、穩定減速等一系列功能，其中降落傘需根據任務需求選擇合適的傘型、數量、收口狀態設置等技術狀態或技術參數。本文將航天器降落傘回收系統的典型工作環節歸納為表1所示的11項。

表1 航天器降落傘回收系統典型工作環節Table 1 Typical phases of spacecraft parachute recovery system

3 典型故障案例分析

3.1 開傘控制故障

在降落傘回收系統方案設計中，需要根據航天器的進入/返回彈道特點，選擇合理可行的開傘控制方法。目前常用的開傘控制方法主要包括純時序控制、過載時間控制、壓力高度控制、雷達高度控制、基于速度或動壓的自適應開傘控制等。開傘控制用于判斷開傘時機，是降落傘工作的前提，必須確保安全可靠。

開傘控制故障主要涉及到相應的控制器或者敏感器。例如，美國于2001年1月7日發射的起源號探測器，于2004年9月8日攜帶采集樣本的返回艙在進入地球大氣的過程中降落傘沒有打開，返回艙硬著陸損壞。起源號返回艙采用過載時間的開傘控制方案，事故調查組經過一系列的檢查和故障分析，最終得出的結論是過載開關設計、安裝錯誤，反向180°，見圖1所示。這個錯誤應屬較低層次的問題，除了設計中對加速度朝向的設定反向外，測試不充分，過程管控不到位也是重要因素。

圖1 起源號過載開關方向錯誤[1]Fig.1 G-switch of Genesis was designed and placed in wrong direction[1]

3.2 彈射分離故障

航天器降落傘回收系統的第一級降落傘一般都是采用彈射器、彈傘筒等火工裝置實現彈射分離，使降落傘傘包迅速離開航天器，并為降落傘的拉直創造條件，減輕繩帆現象的影響，避免尾流影響甚至被負壓作用而無法正常分離。其對應的典型故障一方面是火工裝置產品未正常工作，另一方面是彈射分離速度達不到安全開傘的需要。因此，除了確保相關產品安全可靠外，這個工作環節最為關注的是確定并實現足夠的彈射分離速度。

3.3 拉直故障

彈射后，降落傘的吊帶、傘繩、傘衣依次從傘包中拉出，直到拉直狀態，從而為充氣創造條件。降落傘拉直過程正常與否與包傘設計密切相關，必須保證降落傘有序逐步拉出。拉直過程必須確保開傘通道順暢，如果拉直過程中傘包與前體結構碰撞或鉤掛，會帶來非常不利的影響。

例如，1982年3月22日發射的第3架航天飛機STS-3，在其2個固體火箭助推器回收時，右側助推器的1個主傘失效，本應是3個主傘形成的群傘變成了只有2個主傘作用，導致助推器降落速度過大，損壞嚴重。經故障調查和分析，導致1個主傘失效的主要原因是主傘的拉直環節不合理。助推器采用減速傘分離同時拉出主傘包的方案，而減速傘是通過助推器分離的截椎體艙段來拉動主傘包。主傘包拉直過程中截椎體并非理想的穩定姿態，而是存在較大的擺動角，從而會與主傘包發生碰撞，導致主傘包出現了局部損傷。主傘拉直過程因而不夠平順，并促使群傘間頂部附加的漂浮裝置發生纏繞，進而導致故障傘頂孔繩受力不均而斷裂，斷裂的頂孔繩抽打到頂孔帶，導致其損壞并繼而擴展到一系列水平帶破壞。2019年歐空局EXOMARS探測器降落傘高空開傘試驗先后2次都出現了故障。其減速傘、主傘均發生了傘衣充氣張滿前破損的情況，根據其降落傘系統方案，可以初步判斷故障大概率發生在降落傘拉直環節。以上故障的出現，除了降落傘拉直環節的設計考慮不夠充分外，與對拉直過程高速動態響應導致的姿態變化、多體碰撞、摩擦問題的仿真分析難以精確量化有關。

3.4 充氣故障

充氣過程是降落傘最為關鍵的環節，也是降落傘工作過程中最為復雜的階段。充氣過程降落傘的載荷、氣動特性急劇變化，涉及到高速柔性大變形結構在非定常流場下的動力學問題，對于一般采用倒拉法開傘的航天器，降落傘的最大載荷往往發生在充氣張滿時刻。因此，降落傘的充氣是容易出現故障的環節，主要包括降落傘收口控制故障、降落傘充氣破損故障等。

例如，美國阿波羅飛船降落傘回收系統在研制過程的各類試驗中先后出過不少問題，其中比較嚴重的一次是在空投試驗中，1個主傘在解除收口的充氣過程中損壞，其原因是傘衣強度不足，后續對降落傘結構進行了設計加強，從而使該問題得以解決。美國航天飛機進行助推器降落傘回收系統空投試驗時，出現過減速傘充氣損壞的故障，原因是收口繩固定帶被拉脫，收口繩通過4個切割器固定，導致收口狀態過充，收口繩被拉斷，繼而傘衣過早充氣到第二級收口狀態，降落傘傘衣破損。美國獵戶座飛船研制初期，在降落傘系統空投試驗中，先后發生收口繩切割器由于安裝角度問題導致啟動故障、收口環固定故障、收口環擠壓損傷、傘繩損傷等多種問題，大部分都發生在降落傘充氣過程，尤其是收口控制問題較為突出。

2004年，NASA針對后續火星探測大面積亞聲速降落傘(直徑為33.4 m環帆傘)開展了3次高空氣球投放試驗。第一次試驗降落傘未能正常充氣到收口狀態，解除收口后，傘衣充氣損壞。經分析，故障原因是傘衣牽頂繩未正常拉直即損壞，引起頂部反彈，導致充氣時傘衣纏繞。采取改進措施后，第二次試驗降落傘依然出現充氣過程纏繞并導致解除收口后開傘載荷較大，從而傘衣破損的故障。經分析，故障原因是傘衣牽頂繩雖正常拉直，但強度依然不夠而導致損壞。最后一次高空投放試驗，降落傘出現收口控制失效的問題，2個收口環和1個收口繩切割器被異常拉脫，幸運的是傘衣強度設計余量較大，從而未出現明顯破損。

2014年，NASA低密度超聲速減速器項目開展了系統級的高空投放試驗。試驗模型首先展開超聲速充氣式減速器，之后彈射出氣球傘作為引導傘，并拉出大面積火星超聲速降落傘，該傘是一種新型的結合常規環帆傘和盤縫帶傘特征的盤帆傘，名義直徑為30.5 m。試驗中充氣式減速器和氣球傘均正常工作，但盤帆傘工作故障，在充氣階段傘衣破損嚴重，如圖2所示。經分析，故障是因為該新型盤帆傘的結構構型設計不合理，初始充氣時傘衣“盤”部分的局部應力超出了材料強度，從而發生破損。

圖2 美國新型盤帆傘充氣破損[11]Fig.2 Canopy damage in the inflation process of American new Disksail parachute[11]

由以上故障案例可知，降落傘充氣過程出現問題的情況較多，與該過程的復雜湍流和柔性結構動力學特性有關。因此，目前工程上一般是采用基于試驗數據修正的半經驗半理論方法，而不同傘型、不同尺寸、不同開傘條件對應的充氣過程關鍵參數有明顯差異。近年來，基于流固耦合等方法對降落傘充氣過程進行的數值仿真得到了較好的規律性結果，但還需進一步提高仿真精度。

3.5 穩降過程故障

降落傘充氣張滿后對航天器發揮穩定減速作用，從而達到穩降狀態。此階段需要注意降落傘與航天器構成的組合體是否具備良好的運動穩定性。阿波羅飛船返回艙在開展空投試驗時曾出現過由于組合體運動不穩定，導致降落傘吊帶與返回艙結構發生摩擦而斷裂的故障，最終將降落傘連接艙體的吊帶局部更換為鋼纜得以解決。

除了組合體不穩定導致吊帶損傷的故障外，還需要注意降落傘的充滿狀態是否受前體尾流的影響而發生塌陷情況。一般而言，降落傘充滿后的局部塌陷會隨著前體速度的降低和姿態的穩定而消失。但是，對于一些高速開傘、前體攻角大、尾流作用距離遠的情況也可能導致降落傘塌陷加劇甚至顯著喪失阻力性能的情況出現。因此，一般需保證降落傘的拖曳距離不小于前體直徑的4～6倍，以避免此類故障發生。對于火星降落傘等超聲速開傘條件，甚至應將前述數據控制在8～10倍。

此外，航天器在降落傘作用下進入穩降后，如果其他系統工作，需要考慮是否會對降落傘工作帶來不利影響。此類故障的典型案例是美國阿波羅15降落傘回收系統的開傘過程。其開傘初始階段的所有程序工作正常，3個主傘順利拉直、初始充氣、解除收口、張滿并進入穩降，但隨后1個主傘發生故障，最終返回艙在2個主傘作用下降落水面。NASA成立調查組進行了深入分析得出，故障是返回艙進行推進劑排空操作而引起的，返回艙吹除的推進劑(氧化劑為四氧化二氮)噴灑到故障降落傘上發生了燃燒現象，導致該傘的吊帶和傘繩損壞。

3.6 多級傘工作轉換故障

航天器降落傘回收系統往往采用多級傘減速方案，如返回式衛星、載人飛船等都使用了減速傘和主傘的2級降落傘系統。高速情況下，先打開面積較小的減速傘，減速到一定程度后再打開面積較大的主傘。工作轉換時，可以利用減速傘分離時直接拉出主傘，也可以分離完減速傘后再通過單獨的引導傘來拉出主傘。多級傘工作轉換故障主要表現為減速傘分離異常或主傘拉出異常。

減速傘分離異常問題偶有發生，除了要確保相應的分離裝置工作可靠外，還應關注分離通道是否暢通，是否存在分離過程鉤掛的可能。

主傘拉出異常與前文拉直故障類似，因此要確保主傘包拉出通道暢通，降落傘能夠有序從傘包拉出，防止拉直過程傘包與艙體結構碰撞或鉤掛。美國航天飛機助推器回收系統除了前文提到的第3次飛行試驗出現3個主傘失效的故障外，之后還發生了多次問題，尤其是主傘失效或明顯損傷的情況非常突出。NASA為此成立了專項的調查研究團隊，得出的主要意見之一是減速傘與主傘的轉換環節設計不合理，主傘的拉出過程容易與艙體結構碰撞，多個主傘拉直時容易出現頂孔纏繞，從而易導致主傘故障。因此，除了對主傘采取一系列加強措施外，調查團隊對于減速傘拉出主傘的環節提出了多項修改建議，包括增加主傘引導傘、調整主傘包固定方式、主傘包與艙體結構間增加吸能裝置等。

此外，要關注降落傘之間的連接狀態，確保傘包能被正常拉出。2019年，美國波音公司進行CST-100飛船逃逸救生試驗時發生了1個主傘沒有打開的故障，該問題是由于1頂主傘與其相對應的引導傘之間的連接銷安裝錯誤導致。

3.7 群傘干擾故障

對于大載重航天器，如美國的阿波羅飛船、航天飛機助推器、獵戶座飛船、CST-100乘員飛行器、SpaceX的龍飛船以及中國新一代載人運輸飛船等均采用了群傘減速方案。與單傘相比，群傘回收系統具備互為熱備份的特點，但也增加了群傘干擾故障的風險。如前文所述航天飛機助推器多次主傘故障，多次出現不同主傘之間從拉直到充氣過程的纏繞問題。

除了相互纏繞之外，還有一類故障情況是不同降落傘充氣展開不同步，導致不同降落傘承受開傘載荷有明顯差異，甚至可能超過降落傘的強度條件。特別對于群傘系統，如果1頂降落傘拉出過程即失效，其他多傘又充氣展開不同步，將很可能導致先展開的1頂降落傘承受過大載荷而損傷，從而群傘系統所期望的互為熱備份的目標不能實現。美國SpaceX公司龍飛船降落傘系統采用了4個主傘的群傘方案，2019年4月，SpaceX公司對龍飛船降落傘系統開展故障模式空投試驗，驗證1頂主傘失效情況下，另外3頂主傘是否能夠滿足安全回收需求。該次試驗失敗，導致落地速度超出預期要求，具體原因未見公布，但群傘干擾的因素難以排除。

除了相同狀態降落傘組成群傘系統之外，也有采用不同降落傘組成群傘系統的情況。雖然不同狀態降落傘并不一定要求同步充氣，但相互干擾導致的故障需要特別注意。例如，美國獵戶座飛船開展降落傘系統空投試驗時，為了給需要驗證的降落傘系統創造開傘條件，采用了一大兩小的群傘系統作為投放模型的試驗程序傘。結果出現了2個小傘對大傘產生干擾的現象，最終導致大傘失效，模型失穩，并引發需驗證降落傘系統的減速傘彈射拉直后吊帶被磨斷，且未能達到需驗證主傘的開傘條件，模型墜毀，試驗失敗，如圖3所示。

圖3 美國CEV降落傘系統空投試驗故障[24]Fig.3 American CEV parachute system malfunctioned in a drop test[24]

3.8 備份降落傘切換故障

聯盟號飛船、神舟飛船的回收著陸系統設置有主份、備份降落傘。如果主份降落傘出現故障，則及時將其從返回艙分離，并打開備份降落傘，從而確保航天員的生命安全。如何確保轉換備份的可靠，必須予以重視。

載人航天史上，聯盟一號的墜毀是最為慘痛的事故之一。經過事故調查分析，聯盟一號由于回收程序故障，主份主傘未能正常打開，航天員手動觸發備份降落傘系統工作，但是備份傘和未能分離的主份傘發生纏繞，備份傘也未能正常張開，阻力損失嚴重，導致返回艙高速降落地面，航天員科馬羅夫犧牲。圖4為聯盟一號返回艙墜毀的場景。

圖4 聯盟一號返回艙墜毀照片Fig.4 The picture of crashed return module of Soyuz-1

3.9 其他環節故障

一般而言，降落傘進入穩降并正常工作一段時間后，已經運行平穩，故障發生概率相對較小。但是，對于轉換吊掛等動態過程還需特別重視。轉換吊掛環節，在短時間內實現航天器姿態的突變，會產生較大的過載，降落傘及相關的連接分離機構、垂掛吊索等必須具備足夠的強度，避免在沖擊載荷作用下破壞。對于吊掛重量分離環節，由于降落傘作用的重量突然降低，會導致降落傘阻力面積短時間內突然變小，從而產生結構的波動，因此同樣需要注意是否會對連接環節產生影響。

一些航天器著陸后，為了避免被風拖曳，需要及時將降落傘分離。該環節可能出現的故障主要是過載開關等控制裝置或脫傘器等分離裝置工作異常。對于著陸水面的情況，有時還需降落傘發揮標位功能，此種情況下的故障一般出現為降落傘附帶的浮囊裝置發生損壞。需要特別注意的是，對于降落傘著陸分離的環節，必須避免在空中提前分離的故障發生，可采取分離裝置加電時間延遲、多重指令觸發等保護措施。

除了關注降落傘回收系統自身工作可靠之外，在某些應用場合還應關注降落傘系統是否可能對其他系統產生不利影響。例如，2016年10月19日，歐空局的Schiaparelli探測器進入火星大氣后，雖然開傘正常，但最終探測器仍然墜毀。分析表明故障的主要原因是降落傘在超聲速條件下的喘振導致探測器運動姿態的劇烈變化，其幅度超出了慣性導航設備的適應范圍，從而導致探測器控制程序異常。

4 小結

對于進入/返回式航天器而言，大多采用降落傘回收系統實現安全著陸。降落傘回收系統的工作正常與否影響飛行任務成敗。降落傘回收系統涉及到降落傘彈射分離、拉直、充氣(含有收口及解除收口等不同程序)、穩降、多級傘轉換等一系列工作環節，程序不可逆，每一個環節都必須保證可靠工作。因此，降落傘回收系統的故障識別與控制至關重要。

從本文所述國內外降落傘回收系統典型故障案例來看，拉直、充氣以及群傘系統工作階段是出現問題較多的環節。其主要原因是這些環節具備柔性體快速大變形的工作特點，涉及復雜的柔性體非線性流固耦合問題，地面模擬試驗困難。目前相應的仿真分析技術還在發展中，計算精度尚未達到能夠充分指導工程設計的程度，應加強相關數值建模與分析研究，從理論、方法、設計上提升降落傘回收系統的可靠性。

在加強理論方法與仿真分析的同時，降落傘系統的試驗驗證不容忽視，只有通過充分的模擬真實工作條件的考核，才能確保降落傘回收系統的工作可靠，確保航天器安全著陸的風險可控。以美國為鑒，從阿波羅飛船到CST-100飛船、龍飛船，經過了數十年發展，新研的每套降落傘回收系統仍然需要開展數十次空投試驗驗證，且試驗過程中仍是多次出現故障或異常問題，通過解決試驗暴露的問題而得以有效提升降落傘回收系統的可靠性。降落傘系統研制過程中的強度試驗和系統級空投試驗是最基本的2類驗證試驗。

加強設計與驗證的同時，有必要充分吸取國內外各類降落傘回收系統發生故障的教訓，對降落傘回收系統從整個研制周期、全部工作剖面嚴控質量，關注細節，充分識別并控制風險，確保系統的高可靠、高安全。