朱光辰

（中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094）

1 引言

運送航天員安全返回地面是載人航天器必須具備的功能之一。按再入段氣動特征的不同,返回式航天器的再入方式可分為3類:彈道式再入、彈道-升力式再入和升力式再入。彈道式和彈道-升力式返回航天器再入段經(jīng)歷的航程和時間較短,由于減速快導致過載值大;另外,其著陸方式均為垂直著陸,著陸系統(tǒng)采用降落傘著陸系統(tǒng),著陸時有相當大的沖擊過載。升力式返回航天器再入段航程和時間都比彈道式和彈道-升力式返回航天器長得多,減速過載值較小;著陸方式為通過機翼產(chǎn)生的升力水平著陸,避免了沖擊過載過大的問題[1]。

___早期的載人飛船,如前蘇聯(lián)研制的世界上第一艘載人飛船“東方號”、美國第一艘載人飛船“水星號”,均為彈道式返回航天器,但由于再入段的氣動減速過載過大,很快就放棄使用。之后的美國“雙子星座”、“阿波羅”飛船及正在研制中的新一代載人飛船“獵戶座”,前蘇聯(lián)“聯(lián)盟”系列飛船,直至目前正在使用的俄羅斯“聯(lián)盟-TMA”飛船,我國“神舟”系列飛船,其返回艙均為彈道-升力式返回航天器[2]。目前,世界上唯一一種采用升力式再入的載人航天器是將于2010年退役的美國航天飛機。

因此,現(xiàn)在及可預見的將來,彈道-升力式再入加降落傘著陸仍將是載人航天器再入著陸的主要方式。本文針對此類載人飛船返回艙在再入和著陸過程中經(jīng)歷的力學環(huán)境及其乘員和艙載儀器設備的防護措施進行了理論分析和試驗研究。

2 再入和著陸過程中的力學環(huán)境

彈道-升力式載人飛船返回艙在再入和著陸過程中經(jīng)歷的力學環(huán)境主要包括氣動減速過載和著陸沖擊過載。

相對于彈道式再入,雖然彈道-升力式再入可將減速過載由8～10gn降至5gn以下[1],但一般仍會達到3～4gn,典型的例子是“聯(lián)盟”系列飛船返回艙[3]。承受這個量級的過載對一般的航天器結構、儀器設備及經(jīng)過專門訓練的飛行員而言都不是問題,但對經(jīng)過長時間空間微重力環(huán)境飛行后返回的航天員卻是難以適應的。彈道-升力式載人飛船返回艙的著陸方式為乘降落傘以一定的下降速度和接近于垂直的角度著陸。為減小著陸沖擊載荷,返回艙一般配有著陸反推火箭發(fā)動機,在返回艙降至距地面1.5m左右時點火工作,與降落傘配合使返回艙以2～3m/s的速度“軟著陸”。然而根據(jù)航天員的直接體會,“軟著陸”并不“軟”[3]。在著陸反推系統(tǒng)由于自身或其他相關系統(tǒng)故障不能工作的情況下,返回艙只依靠降落傘將會以8m/s左右的速度“硬著陸”。因此無論哪種著陸方式,返回艙著陸時都會有較大的沖擊載荷,“硬著陸”方式比“軟著陸”的沖擊更為嚴重。

因此,返回艙在再入大氣層和乘降落傘著陸過程中不得不經(jīng)歷較惡劣的過載和沖擊力學環(huán)境,在返回艙設計中有必要針對上述力學環(huán)境對乘員和艙載儀器設備采取防護措施。

3 再入過載防護技術

返回艙再入過程中經(jīng)歷的氣動減速過載性質(zhì)為靜載荷。這種載荷是客觀存在的,并且不能像振動和沖擊載荷一樣通過采取減振、緩沖等措施衰減,只能在設計中采取適應措施。艙體結構及艙載儀器設備可通過結構強度設計滿足承載要求,這方面有成熟的設計和分析方法,本文不詳細論述。

針對乘員,應在返回艙設計中采取有助于其承受再入過載的防護措施。載人飛船返回艙內(nèi)設有乘員座椅,數(shù)量根據(jù)乘員人數(shù)為1～3個,在發(fā)射段和返回段乘員以束縛狀態(tài)在座椅中就坐。為獲得有限的升力,彈道-升力式返回艙以一定的配平攻角再入大氣層,即返回艙飛行速度矢量與艙體幾何軸保持一定的角度,將質(zhì)心偏置。典型的飛船返回艙配平攻角為20°,阻力大約是升力的5倍。如果將乘員座椅靠背平面法線相對于艙體幾何軸的夾角也設計為20°,即與配平攻角相同,則乘員胸背向承受由阻力產(chǎn)生的主要過載分量,由升力產(chǎn)生的次要過載分量沿乘員頭足向,使乘員“穩(wěn)坐”在座椅內(nèi),對乘員起到保護作用,如圖1所示[4]。

4 著陸沖擊防護技術

返回艙構型通常由鐘形或圓錐形上部和球冠形底部組成,內(nèi)部布局分為乘員區(qū)和設備區(qū)兩部分。乘員區(qū)位于上部,包括乘員座椅、控制和顯示儀表設備等;設備區(qū)位于座椅以下的底部,包括飛行控制、生命保障、測控通信、返回著陸、供配電等儀器設備。返回艙著陸時以底部首先觸地,如圖2所示。相對于再入過載,返回艙著陸時經(jīng)歷的沖擊載荷環(huán)境更為復雜和嚴酷。著陸沖擊工況是一個由艙體和地面土壤組成的復雜力學系統(tǒng),返回艙著陸時的動能實際上由艙體和土壤分別吸收,能量分配與艙體結構特性和地面土質(zhì)狀況有關[5]。對著陸沖擊問題尚無成熟的定量分析方法,目前的研究手段以定性分析和試驗驗證為主。試驗結果表明返回艙在“硬著陸”工況下作用在艙體上的沖擊過載峰值高達數(shù)十gn,必須采取防護設計措施,以保證乘員安全和著陸待援相關的儀器設備正常工作。

圖1 座椅安裝角度與配平攻角的關系

圖2 返回艙構型、布局及著陸方式

4.1 乘員防護

根據(jù)人體生理指標,人體能夠承受的沖擊過載為胸背向不超過35gn。因此,返回艙設計應具備著陸緩沖功能,保證在最惡劣的“硬著陸”工況下作用在乘員身體上的沖擊載荷低于以上生理指標。返回艙的著陸緩沖設計應從系統(tǒng)層面綜合考慮,充分發(fā)揮由觸地點至乘員之間的傳力路徑上各環(huán)節(jié)的緩沖吸能潛力,主要包括座椅緩沖系統(tǒng)和返回艙底部結構。

4.1.1 座椅緩沖系統(tǒng)

座椅緩沖系統(tǒng)是吸收著陸沖擊能量、保護乘員最有效的環(huán)節(jié),“聯(lián)盟”系列飛船返回艙、“阿波羅”飛船指令艙均配置有座椅緩沖系統(tǒng)[6]。典型的座椅緩沖系統(tǒng)由座椅緩沖裝置、金屬結構座椅、賦形緩沖墊、束縛帶組成[7]。每個座椅在返回艙內(nèi)有頭部和腳部2個安裝支撐點,頭部由座椅緩沖裝置支撐,與座椅緩沖裝置以滑槽連接,腳部以鉸鏈形式與艙體結構連接。座椅緩沖裝置外形為桿狀,上、下端分別與艙體結構連接固定,中部通過一個可沿緩沖裝置軸向運動的活塞筒以滑塊與座椅頭部的滑槽連接。座椅與緩沖裝置的裝配關系見圖3（a）。賦形緩沖墊由玻璃鋼和泡沫塑料制成,外形與座椅型面吻合,內(nèi)腔與乘員個人體形吻合,安放在金屬座椅內(nèi),具有輔助緩沖作用。在飛船發(fā)射和返回著陸階段,乘員在座椅中就坐并以束縛帶固定。

圖3 座椅與緩沖裝置的裝配關系

座椅緩沖系統(tǒng)的主要功能包括提升和緩沖。在返回再入過程中座椅的安裝角度為有利于乘員承受再入過載的狀態(tài),如上所述。在返回艙著陸前,座椅緩沖裝置的活塞筒在高壓氣體推動下向上運動,帶動座椅繞腳部連接鉸鏈轉(zhuǎn)動提升,活塞筒運動至緩沖裝置上端鎖定,形成緩沖行程,如圖3（b）所示。在返回艙著陸時,緩沖裝置的活塞筒在乘員及座椅的沖擊慣性作用下向下運動,帶動緩沖裝置內(nèi)部的吸能結構產(chǎn)生塑性變形或金屬切削,從而吸收沖擊能量,發(fā)揮緩沖作用[8]。返回艙內(nèi)的儀器設備、電纜、管路布局應留出座椅提升和緩沖的運動空間,保證座椅及緩沖裝置動作順暢,不能與周邊任何物體碰撞。

座椅緩沖裝置提升動作的動力為高壓氣體,有燃氣和冷氣兩種氣源形式。燃氣提升是以火工裝置工作產(chǎn)生的高壓燃氣驅(qū)動緩沖裝置,其優(yōu)點是系統(tǒng)簡單可靠,不需要射前準備工作,便于在軌長期儲存;主要問題是燃氣成分中含有劇毒的CO,如泄漏到艙內(nèi)其濃度將超過安全限,存在重大安全隱患[9]。冷氣提升是以氣瓶儲存的高壓空氣驅(qū)動緩沖裝置,其優(yōu)點是無毒安全,全系統(tǒng)可測試;缺點為系統(tǒng)復雜,由氣瓶、充放氣閥門、控制閥門、管路等多個環(huán)節(jié)組成,射前需充裝壓縮空氣,氣體會以一定的漏率泄漏,不利于在軌長期儲存。安全性是載人航天器設計應考慮的首要因素,兩者權衡,冷氣提升方式更為可取。

座椅緩沖系統(tǒng)在返回艙上的裝配調(diào)試過程較復雜,為確保提升動作可靠執(zhí)行,在返回艙總裝全部完成后需進行提升試驗,以檢查裝配效果及運動空間。對于燃氣提升方式,其火工裝置已預置在緩沖裝置內(nèi),不能進行真實的點火提升試驗,只能靠人力推動緩沖裝置活塞筒和座椅,進行手動提升試驗。冷氣提升方式的氣瓶和管路系統(tǒng)可反復充、放氣,因此可進行真實的氣動提升試驗,甚至能夠在飛船綜合測試過程中進行包括指令發(fā)送、供電、執(zhí)行機構動作在內(nèi)的全系統(tǒng)測試。為保證運動空間檢查的準確性,提升試驗時須在座椅內(nèi)安裝著航天服的仿真形體假人。

試驗結果表明,在著陸反推發(fā)動機工作、返回艙以3m/s左右速度軟著陸的情況下,著陸沖擊載荷不足以觸發(fā)座椅緩沖系統(tǒng)完全動作,緩沖行程只有全行程的2%～4%,座椅的胸背向沖擊加速度只有10gn左右,遠低于人體生理指標[10]。在著陸反推發(fā)動機不工作、返回艙以8m/s左右速度硬著陸的情況下,座椅緩沖系統(tǒng)完全動作,緩沖行程達到全行程的92%,能夠?qū)⒏哌_60gn左右的垂直沖擊加速度衰減至座椅胸背向沖擊加速度30gn左右,仍在人體生理指標允許范圍內(nèi),緩沖吸能效果顯著。

4.1.2 返回艙底部結構

返回艙底部為球冠形金屬密封結構,著陸時首先觸地,在硬著陸情況下會發(fā)生較大的塑性變形,見圖4。返回艙底部布置有大量的儀器設備,通常采用金屬大梁結構作為儀器設備安裝的基礎。因此大梁布局及金屬底結構設計也會對返回艙的著陸緩沖性能產(chǎn)生較大影響。

圖4 返回艙金屬底硬著陸變形情況

圖5所示為2種不同的返回艙底部大梁布局。圖5（a）為平行布局,3根主梁平行布置,中間主梁位于金屬底中心;圖5（b）為交叉布局,大梁沿橫、縱2個方向布置,不經(jīng)過金屬底中心區(qū)域。返回艙著陸時底部最先觸地部位取決于著陸瞬間的艙體搖擺姿態(tài),但中心區(qū)域的觸地概率最高。兩種大梁布局的沖擊分析結果曲線見圖6。

圖5 返回艙底部大梁布局

圖6 兩種大梁布局的沖擊加速度-時間曲線

分析結果表明,平行布局大梁上的沖擊加速度-時間曲線峰值約55gn,并且存在2個峰值。分析其原因,第一個峰值是球形金屬底觸地沖擊形成的,金屬底與主梁之間設計有一定的間隙,金屬底沖擊變形至與主梁接觸后產(chǎn)生二次沖擊,形成第二個加速度峰值。相比之下,交叉布局大梁由于在中心區(qū)域沒有主梁,留出了金屬底變形吸能空間,所以不存在二次沖擊效應,沖擊峰值也降低至47gn左右,其沖擊加速度-時間曲線沒有第二個峰值,且明顯平緩。

由上述分析可知,合理設計返回艙底部結構、發(fā)揮其緩沖吸能潛力是改善著陸沖擊環(huán)境的有效措施。返回艙底部設備安裝大梁剛度較大,應避開觸地撞擊概率最高的中心區(qū)域布置,留出金屬底變形吸能空間,避免二次沖擊效應。

4.2 艙載設備防護

在返回艙著陸后的待援過程中,部分設備仍需正常工作,應保護其在著陸時不受損傷;返回艙觸地后在沖擊力及降落傘牽拉作用下經(jīng)常會發(fā)生跳躍、翻滾,任何艙載設備均不應脫落,以避免傷及乘員。因此艙載設備的著陸沖擊防護應在返回艙布局設計和設備安裝設計中綜合考慮。

用于飛行控制的設備在著陸后不再工作,可布置在沖擊變形最嚴重、受損概率最高的返回艙底部中心區(qū)域;搜救信標、語音通信、艙內(nèi)環(huán)境控制、供配電等設備著陸后仍需正常工作,以支持乘員待援和地面搜救人員尋找,因此應布置在相對較安全的底部邊緣及中部上層;所有電纜應避免鋪設在底部,以防止艙體結構沖擊變形擠壓破壞電纜。

圖7 返回艙底部設備安裝方式

返回艙底部設備有直接安裝和懸掛安裝2種典型安裝形式,如圖7所示。直接安裝形式為設備安裝面在下方,直接連接固定在金屬底結構蒙皮上;懸掛安裝形式為設備安裝面在上方,通過安裝支架連接固定在金屬大梁上。試驗結果表明,在硬著陸情況下,由于返回艙金屬底沖擊變形嚴重,直接安裝形式存在設備由艙體上整體脫落的情況;而懸掛安裝形式雖然也存在設備受損情況,但未發(fā)生整體脫落。因此,返回艙內(nèi)設備應避免直接安裝在金屬底結構上,而懸掛安裝形式更為合理。

5 結束語

彈道-升力式再入加降落傘著陸是目前載人飛船返回艙再入著陸的主要方式,在再入大氣層和乘降落傘著陸過程中將經(jīng)歷較大的減速過載和著陸沖擊載荷。返回艙座椅安裝角度與配平攻角一致有利于乘員承受再入過載。返回艙著陸緩沖設計應從系統(tǒng)層面綜合考慮,座椅緩沖系統(tǒng)是吸收著陸沖擊能量、保護乘員最有效的環(huán)節(jié),緩沖裝置采用冷氣驅(qū)動方式更為安全,發(fā)揮返回艙結構緩沖吸能作用、避免二次沖擊效應也是改善著陸沖擊環(huán)境的有效措施。合理設計返回艙設備布局和安裝形式可有效保護艙載設備免受著陸沖擊損壞。載人飛船返回艙采取上述防護措施可在再入著陸力學環(huán)境下保護乘員免受傷害,保證艙載儀器設備正常工作。

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