國外載人航天器回收降落傘包傘技術研究

賈華明， 劉乃彬， 林汝領， 王景龍

(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

降落傘包傘是回收系統(tǒng)降落傘設計的重要組成。 載人航天器回收系統(tǒng)使用的降落傘在使用前都是呈包傘狀態(tài)，為了滿足安裝空間和包傘體積的要求，還需要使用壓力包傘。 壓力包傘后的降落傘傘包剛度很大，非常堅硬，但是在大的過載和沖擊載荷下，又表現(xiàn)出彈性體材料的特性。 主傘包作用在返回艙上的慣性力載荷受到主傘包傘狀態(tài)的影響，主傘包與傘艙越貼合，作用在其上面的預加載荷越小，過載和慣性力帶來的沖擊也越小，因此降落傘包傘狀態(tài)會對回收系統(tǒng)的工作性能產生重要影響，而包傘狀態(tài)的評估通常使用包傘密度。

美國的阿波羅飛船開始于20 世紀60 年代，歷經18 次飛行，一直到1972 年12 月[1-4]。 獵戶座(Orion)飛船是NASA 為星座計劃研發(fā)的最新一代載人飛船[5-8]。 兩代載人飛船相差了近50年，相比較以Nylon(錦絲)為主要原材料的阿波羅飛船降落傘，獵戶座飛船降落傘采用了很多新材料，比如Kevlar(芳綸)、Vectran(聚芳酯)、Spectra(高強聚乙烯)和Teflon(聚四氟乙烯)等。 這些材料的材料特性發(fā)生了很大的變化，同時由于降落傘質量的增加和傘包安裝空間的減小，必須提高包傘性能來適應回收系統(tǒng)總體對降落傘包傘指標提高的要求。

本文以阿波羅飛船主傘包傘情況為基線，通過區(qū)分傘包形狀和組成材料，對獵戶座飛船和阿波羅飛船的5 個降落傘包傘實例進行分析，通過固態(tài)密度對降落傘包傘情況進行評估，提出減小由于壓力包傘和火工彈射而引起損傷的方法。

2 包傘技術基本特征

Knacke[9]進行了降落傘包傘技術的系統(tǒng)研究，提出了使用包傘密度(降落傘總質量除以包傘體積)對包傘情況進行評估。 同時指出包傘密度和包傘壓力并不是線性關系，圖1 所示的是由錦絲材料制成的密實平面?zhèn)愕陌鼈闱€[9]。 研究發(fā)現(xiàn)包傘密度與降落傘傘型(比如帶條傘或平面圓傘)、包傘方法關系不大，只與最終的包傘壓力有關系。

在圖1 的曲線中，包傘壓力達到1.4 MPa 時，包傘密度會達到0.72 kg/L，這將會超過阿波羅主傘0.684 kg/L 的包傘密度[10]。 而阿波羅主傘的這個包傘密度是在2.1 MPa 的包傘壓力下獲得的，兩者不同的地方是傘包形狀不同。 圓柱形傘包是能夠獲得較高包傘密度的最理想的形狀，圖1 中的試驗數據正是用圓柱形傘包獲得的。 而阿波羅主傘傘包是不規(guī)則的楔形傘包，所以應該區(qū)別比較圓柱形傘包和不規(guī)則形狀傘包的包傘密度，進行類似形狀傘包的包傘密度比較[11]。

圖1 錦絲密實平面?zhèn)惆鼈忝芏惹€[9]Fig.1 Pack density of solid flat Nylon parachute[9]

研究表明，降落傘材料的形式，無論是傘繩，薄、厚帶子，傘衣對最終的包傘密度的影響不大。在沒有壓力的情況下，傘衣看上去遠沒有帶子的密度大，但是在增加壓力的情況下，絕大部分的空氣從傘包中被排出，傘衣在壓力作用下，密度會變很大。 Knacke 進行降落傘包傘密度研究所使用的材料都是錦絲材料，隨著材料技術的發(fā)展，Kevlar、Vectran、Spectra 等新材料在降落傘上得到了應用。 要深入了解這種由多種材料組成的降落傘的包傘密度，必須研究每種材料在降落傘上所占的質量比[12]。

綜上所述，在比較不同種類材料降落傘包傘密度時，除了包傘壓力和傘包外形2 個考慮因素外，還應該比較不同種類材料所占的質量比，這樣可以提供一個新的評估降落傘包傘密度的方法。

根據降落傘每種材料所占的質量百分數，可以計算得到一個加權平均理論密度，如式(1)。加權平均理論密度是一個極限值，是將降落傘壓縮到空氣完全被趕出條件下獲得的，將其看成是固態(tài)材料，實際上這是不可能做到的。 根據傘總質量可計算得到完全固體材料下的理論體積，如式(2)。 計算得到的這個理論體積和實際傘包的體積相除可以得到一個百分數，如式(3)。 這個百分數定義為固態(tài)密度，是一個無量綱值，可作為評估包傘密度的一個新的方法，從而避免了忽略降落傘的材料組成，而單純比較包傘密度的情況發(fā)生。

其中:ρ理論為加權平均理論密度，mi為第i種材料質量，ρi為第i種材料密度，m為傘總質量，V理論為固態(tài)材料下的理論體積，V包傘為降落傘最終包傘體積。

3 包傘技術發(fā)展

阿波羅飛船主傘的包傘密度達到了0.684 kg/L，這在當時被認為是達到了包傘密度的極限。 阿波羅為了提高包傘密度，在技術上采取了很多創(chuàng)新辦法，比如傘包內襯布采用Teflon 或Spectra 織物降低摩擦系數，使用壓力包傘工裝，優(yōu)化壓力持續(xù)時間，使用抽真空裝置對傘包進行處理等。 這些技術一直延用到了獵戶座飛船。

經過數十年的發(fā)展，獵戶座飛船主傘進一步將包傘密度提高到了0.753 kg/L，而且需要的最大包傘壓強由2.07 MPa 降低到了1.06 MPa，包傘時間由24.25 h 減少到了20 h。 這里需要指出的是包傘壓力并不是一個恒定壓力，而是通過加壓-保持-再加壓這種方式逐步加載完成的。 表1和表2 分別為阿波羅和獵戶座主傘的壓力包傘順序[13-14]。

表1 阿波羅主傘壓力包傘順序[13]Table 1 Apollo main parachute pack press sequence[13]

表2 獵戶座主傘壓力包傘順序[14]Table 2 CPAS main parachute pack press sequence[14]

獵戶座飛船能夠大幅提高包傘密度與其采用了大量的新材料有很大關系。 阿波羅主傘錦絲材料的比重達到了91%，獵戶座主傘錦絲材料的比重降到了45%，而Kevlar 材料的比重接近了55%。 Kevlar 的密度是1.44×103kg/m3[15]，錦絲的密度是1.14×103kg/m3。 本體密度大的材料更容易在較小包傘壓力下取得較高的包傘密度。 傘包不規(guī)則的形狀也是造成包傘密度不同的原因，阿波羅的傘艙沿著飛船弧線分布，所以傘艙是旋轉型形狀，傘包從一端裝入。 采用這種細長弧形的傘包設計能夠保證包傘過程中等截面分布。 獵戶座飛船主傘包有點類似于圓錐形，向頂部逐漸收窄。 包傘截面的變化導致表1、表2 中壓板面積也會相應發(fā)生變化。

圖2 為2 種典型傘包示意圖[16]。 圓柱形傘包是規(guī)則形狀，相比較不規(guī)則楔形傘包，安裝空間和體積利用率更高，在相同包傘壓力條件下，更容易提高包傘密度，滿足包傘設計的要求。 其中圓柱外形的長徑比是可控制量化的傘包形狀參數，所以本文后續(xù)會把圓柱形傘包和不規(guī)則楔形形狀傘包分開比較，這樣會更有意義。 表3 為阿波羅主傘包和獵戶座主傘包2 個不規(guī)則楔形傘包的尺寸和包裝密度[17]，表4 為獵戶座前端防熱罩減速傘包、獵戶座引導傘包和獵戶座減速傘包3 個圓柱形傘包的尺寸和包裝密度[18]。

表3 不規(guī)則楔形傘包尺寸和包裝密度比較[17]Table 3 Size and pack density comparison of wedgeshaped packs[17]

表4 圓柱形傘包尺寸和包裝密度比較[18]Table 4 Size and pack density comparison of columniform packs[18]

圖2 傘包形狀示意圖[16]Fig.2 Schematic diagram of packs shape[16]

根據計算，阿波羅主傘包傘密度為0.684 kg/L，固態(tài)密度為58. 4%；獵戶座主傘的包傘密度為0. 752 kg/L，固態(tài)密度為57. 5%。 盡管包傘密度提高了10%，固態(tài)密度卻下降了，這也是獵戶座主傘的包傘壓力和容易程度要小于阿波羅主傘的原因。 如果獵戶座主傘的固態(tài)密度能達到 59. 8%， 它的包傘密度將達到0. 783 kg/L。

4 實例分析

4.1 不規(guī)則形狀傘包

4.1.1 阿波羅主傘

阿波羅的主傘是名義直徑為26.1 m 的環(huán)帆傘，傘包形狀為不規(guī)則楔形，3 個主傘包安裝于返回艙前端的圓錐形傘艙中。 在很高的包傘壓力下，金屬收口環(huán)與織物相互擠壓會造成織物破損。減小這種破損的方法，一方面是慎之又慎的包傘操作，另一方面是優(yōu)化改進降落傘收口裝置的設計，如將普通的雙收口環(huán)進行倒大圓處理。 為了提高包傘技術，阿波羅在1 年的時間里進行了70多次包傘演練，投入了大量的人力和物力來解決主傘的包傘和安裝問題，還額外增加了預算，用以解決包傘形狀復雜和包傘密度高的難題，以及研究在高密度包傘條件下對材料和部件的影響。表5 和表6 分別為阿波羅主傘的質量統(tǒng)計分析和包傘固態(tài)密度[19]。

表5 阿波羅主傘質量統(tǒng)計分析[19]Table 5 Mass breakdown of Apollo main parachute[19]

表6 阿波羅主傘包傘固態(tài)密度[19]Table 6 Solid density of Apollo main parachute[19]

阿波羅最終采用了傳統(tǒng)雙收口環(huán)的形式，強度足夠適應包傘時的高壓力，而且通過倒大圓的形式保護了周圍的織物。 為了避免切割器損傷，還使用了厚的切割器襯套，如圖3所示[20]。

圖3 阿波羅收口環(huán)和切割器襯套設計[20]Fig. 3 Apollo reefing ring and cutter pocket design[20]

4.1.2 獵戶座主傘

獵戶座主傘是名義直徑為35.4 m 的環(huán)帆傘，承力結構部件、傘繩和吊帶均使用Kevlar 材料，傘衣為錦絲材料。 雖然主傘是獵戶座幾個降落傘中使用錦絲材料質量百分數最大的，Kevlar 材料的質量百分數仍然接近了55%。 獵戶座飛船的主傘拖曳距離達到了61 m，所以需要使用一根很長的Kevlar 吊帶，這增加了Kevlar 所占的質量百分數，也引起了包傘密度的增加。 表7 和表8 分別為獵戶座主傘的質量統(tǒng)計分析和包傘固態(tài)密度[21]。

表7 獵戶座主傘質量統(tǒng)計分析[21]Table 7 Mass breakdown of CPAS main parachute[21]

表8 獵戶座主傘包傘固態(tài)密度[21]Table 8 Solid density of CPAS main parachute[21]

作為阿波羅的后續(xù)產品，獵戶座飛船降落傘的研制基于阿波羅的經驗[22]。 早期的獵戶座飛船降落傘包傘密度的預估方法就是簡單用質量除以傘包的體積，預估值大約是0.61 kg/L，這個值是比較保守的，低于阿波羅的上限值0.684 kg/L。實際情況是，獵戶座飛船主傘的包傘體積并不能把所分配的體積都用到，這會造成真實的包傘密度會比預估值高。 減去的這部分體積是包傘過程中用不到的體積，比如傘艙中的一些尖角的地方，同時機械接口設計規(guī)范要求安裝傘包后有一定的間隙，這使得傘包的高度比預估值要小，這些變化使獵戶座主傘的包傘密度最終達到了0.753 kg/L，這遠遠大于了預估的0.61 kg/L，超過了20%[23]。

獵戶座在包傘過程遇到了阿波羅同樣的困難，盡管難度降低了，還是需要包傘工裝和壓力包傘。 在包傘過程中對織物的損傷比阿波羅要小，這歸功于一些降落傘設計的更改，尤其是收口裝置的改進。

獵戶座飛船主傘設計應用了一些最新的技術，包括采用全織物收口環(huán)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬收口環(huán)，如圖4 所示[24]。 織物收口環(huán)(The textile reefing loop)消除了金屬收口環(huán)周圍織物應力集中的情況，同時也消除了對自身的損傷。 織物收口環(huán)證明強度是沒有問題的，可以代替現(xiàn)在使用的金屬收口環(huán)[25]。 為了消除提高包傘密度帶來的風險和隱患，還需要進行進一步的試驗驗證確保織物收口環(huán)適應所有的工況。 造成阿波羅飛船降落傘承力結構的織物損壞的主要原因是與金屬收口環(huán)的接觸，因此從主傘上去掉金屬收口環(huán)，將會大大提高包傘密度。

圖4 織物收口環(huán)[24]Fig.4 The textile reefing loop[24]

為了研究高密度包傘對原材料和原材料種類的影響，對獵戶座飛船主傘進行了專門的研究。將材料試樣放入主傘包中，壓力包傘完后存放幾個月時間，打開封包取出材料試樣，進行拉伸試驗，和基礎材料進行比較，判斷材料性能是否有下降的情況，表9 是試驗結果[26]。

表9 獵戶座主傘材料試驗結果[26]Table 9 CPAS main parachute material test results[26]

從表9 中可以看出，材料并沒有明顯性能下降，材料性能微小的變化主要來自于材料本身和數據子樣數較少。 獵戶座飛船的包傘經驗證明，降落傘材料損傷與高壓力包傘并沒有直接關系。大量飛行試驗的結果結合材料試件試驗情況，證明了現(xiàn)行壓力包傘方法的可行性。

4.1.3 綜合比較

表10 對上述2 個主傘包傘的研究數據進行了總結，同時還比較了遇到問題的解決方法[27]。可以看出獵戶座還沒有達到阿波羅主傘的包傘固態(tài)密度，這表明獵戶座飛船主傘的包傘密度還有提高的余地，但也基本上到達了拐點，后續(xù)如果想減小包傘體積，提高包傘密度，還需要增大包傘壓力。

表10 主傘包傘比較[27]Table 10 Comparison of main parachutes studied[27]

圖5 不規(guī)則楔形傘包包傘壓力對應固態(tài)密度曲線[28]Fig.5 Packing pressure vs solid density for wedgeshaped packs[28]

4.2 圓柱形傘包

4.2.1 獵戶座飛船減速傘

獵戶座飛船減速傘是名義直徑為7 m 變透氣量的錐形帶條傘，Kevlar 材料用作徑向帶、傘繩和吊帶，50 mm 寬的錦絲帶用作水平帶材料。 減速傘的包傘固體密度為39.7%，這是獵戶座飛船所有降落傘中包傘最容易，傘包最柔軟的。 表11 和表12 分別為獵戶座減速傘質量統(tǒng)計分析和包傘固態(tài)密度[29]。

表11 獵戶座減速傘質量統(tǒng)計分析[29]Table 11 Mass breakdown of CPAS drogue parachute[29]

表12 獵戶座減速傘包傘固態(tài)密度[29]Table 12 Solid density of CPAS drogue parachute[29]

減速傘是獵戶座3 種采用彈射開傘方式中唯一進行收口的降落傘。 因為它的包傘密度相對較小，所以在彈射過程中容易受到壓縮。 圖6 是高速攝像拍攝的圖片[30]，可以看出彈射行程中，傘包壓縮后的最小高度為271 mm，傘包正常包傘后的高度是358 mm，高度壓縮至初始高度的76%。

圖6 獵戶座減速傘傘包彈射過程中的壓縮情況[30]Fig.6 CPAS drogue pack compression by pneumatic mortar shot[30]

減速傘包傘過程中，最后一步的加壓時間是足夠長的，之后基本沒有反彈。 當減速傘包裝入彈傘筒，筒蓋安裝到位，這時候彈傘筒容納的傘包包傘密度為飛行時候的包傘密度。 如果傘包包傘密度小且較軟，在彈傘筒的彈射過程中會受到明顯的壓縮，會使傘包的體積壓縮到比正常包傘的最小體積還小。 壓縮會導致最大的包傘密度，產生壓縮的這個壓力是彈傘筒彈射瞬間造成的，而不是包傘過程中的可控壓力，這可能會對織物、收口環(huán)、切割器造成損傷，必須進行專項試驗來驗證這種風險的可能性。 傘包高度壓縮至初始高度的76%，相對應的包傘密度是0.736 kg/L，固態(tài)密度是52%。 這個包傘密度如果采用壓力包傘方式或者是圓形傘包是容易達到的。

織物收口環(huán)能夠有效降低彈射過程中收口環(huán)對織物損傷的風險，由于在彈射過程中發(fā)生過問題，獵戶座飛船減速傘要求對收口繩切割器進行防護，防止在彈射過程中發(fā)生損害。 收口繩切割器的外層是不銹鋼套管，為了保護周圍的織物，切割器套管都經過了倒圓角和表面光滑處理。 這種方法在包傘密度較小的彈射減速傘和包傘密度較大的主傘上都取得了較好的效果。

4.2.2 獵戶座飛船引導傘

獵戶座飛船的引導傘是名義直徑為3 m 的錐形帶條傘，以Kevlar 材料為結構承力材料，以50 mm 寬的錦絲帶為水平帶。 引導傘是獵戶座飛船所有降落傘中包傘密度最大的，無論是最終包傘密度還是固態(tài)密度，引導傘包傘固態(tài)密度達到了55.1%，這低于阿波羅飛船主傘58.4%的水平。 引導傘中不包含切割刀和收口環(huán)，而這兩項正是阿波羅和獵戶座飛船主傘織物損傷的主要原因。 根據經驗，如果引導傘的質量還需要增加，彈射筒的體積是不需要增加的，說明引導傘的包傘密度還能提高。 引導傘是容易包傘的典型例子，常常不需要壓力包傘設備，用手就可以完成包傘，這與其采用細長的圓柱形傘包是有關系的。表13 和表14 分別為獵戶座引導傘質量統(tǒng)計分析和包傘固態(tài)密度[31]。

表13 獵戶座引導傘質量統(tǒng)計分析[31]Table 13 Mass breakdown of CPAS pilot parachute[31]

表14 獵戶座引導傘包傘固態(tài)密度[31]Table 14 Solid density of CPAS pilot parachute[31]

4.2.3 獵戶座飛船前端防熱罩減速傘

獵戶座飛船前端防熱罩減速傘是名義直徑為2.13 m 的可變透氣量的錐形帶條傘，主要承力材料為Kevlar 材料，還使用了其他少量一些材料，如表11 所示。 芳綸材料的材料密度大，主要用芳綸材料制造的降落傘在安全包傘的前提下，容易獲得較高的包傘密度，這也是獵戶座飛船采用彈射開傘的引導傘、減速傘、前端防熱罩減速傘主要以芳綸材料為主的原因，這樣能獲得較高的包傘密度和穩(wěn)定的包傘狀態(tài)，提高彈射性能，減小對彈射體積和支撐結構的要求。 表15 和表16 分別為獵戶座前端防熱罩減速傘質量統(tǒng)計分析和包傘固態(tài)密度[32]。

表15 獵戶座前端防熱罩減速傘質量統(tǒng)計分析[32]Table 15 Mass breakdown of CPAS FBCP[32]

表16 獵戶座前端防熱罩減速傘包傘固態(tài)密度[32]Table 16 Solid density of CPAS FBCP[32]

為了更加深入了解這種全芳綸的降落傘的包傘密度極限，還進行了進一步的壓力包傘試驗研究。 表17 的高密度包傘試驗中，壓力值最終增加到102.3 kN， 作用在壓盤上的壓強值為3.45 MPa，此時包傘密度為0.991 kg/L，維持5 min，將傘包從包傘工裝中取出，此時傘包的體積只是正常飛行時候的2/3，對降落傘進行檢查，并沒有縫紉損傷和縫合部結構的破壞，這可以證明材料的損傷與極端的包傘壓力是沒有必然關系的。 隨后又進行了彈射試驗，并使用了高速攝像設備，任何的材料或縫合部無不正常的破壞。 試驗表明不收口的芳綸材料帶條傘更容易獲得較大的包傘密度( 本例中的固態(tài)密度達到了72%)[33]。

表17 獵戶座前端防熱罩減速傘高密度包傘試驗結果[33]Table 17 Results of CPAS FBCP high density test pack[33]

獵戶座飛船前端防熱罩減速傘的傘包內徑為194 mm， 在 102.3 kN 壓 力 作 用 下 能 產 生3.45 MPa 的壓強值，這是一個正常的壓強值，但是如果獵戶座主傘要達到同樣的壓強值，需要889.5 kN 壓力作用在0.258 m2的壓板上。

圖7 所示是獵戶座前端防熱罩減速傘包傘壓力和包傘密度曲線圖[34]，相比較圖1，曲線的形狀是相類似的，主要的區(qū)別是曲線的刻度不同。這種相似性也進一步說明了限制包傘密度的主要因素是組成材料的質量百分數，而與降落傘的結構、類型和尺寸關系不大，組成材料的密度越大，包傘密度越容易。

圖7 獵戶座飛船前端防熱罩減速傘高密度包傘壓力和密度曲線[34]Fig. 7 Pack pressure and density of CPAS FBCP high density packing[34]

5 小結

本文以阿波羅飛船主傘為基線，通過區(qū)分傘包形狀和組成材料不同，以5 個降落傘為實例，進行了獵戶座飛船與阿波羅飛船降落傘包傘技術的比較。 相比較阿波羅飛船，獵戶座飛船降落傘通過采用芳綸等新材料代替錦絲材料，織物收口環(huán)代替金屬收口環(huán)等技術方案，大大提高了包傘密度，而施加的包傘壓力卻降低了，反而更容易包傘。 獵戶座飛船降落傘采用了Kevlar(芳綸)、Vectran(聚芳酯)、Spectra(高強聚乙烯)和Teflon(聚四氟乙烯)等新材料，這些材料密度與錦絲不同，不適宜再用簡單的包傘密度方法評估包傘情況，而通過計算材料加權平均密度可得到無量綱的固態(tài)密度值。 采用固態(tài)密度的包傘情況比較方法，既保持了當前評判包傘嚴酷度的標準，又能對將來采用新材料的降落傘的包傘情況的影響進行準確預估。 采用圓柱形等規(guī)則形狀傘包，降落傘選用芳綸等密度較大的材料，不使用金屬材質的收口裝置都能大幅提高降落傘包傘密度，提高包傘設計的適應性，這些措施可以為中國新一代載人飛船回收降落傘包傘設計提供借鑒。