賀衛(wèi)亮 才晶晶 汪龍芳 張碧輝 康 甜

（北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院）

1 引言

天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)天地之間人員和貨物運(yùn)輸?shù)耐緩健哪壳疤斓赝档哪芰Χ?，發(fā)射的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于返回的能力，航天器的再入與返回過程一直是空間往返運(yùn)輸系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，無論是從運(yùn)輸?shù)闹亓亢统杀?，還是從運(yùn)輸?shù)闹芷诘确矫妫贾萍s著天地往返運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

傳統(tǒng)的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行方式包括發(fā)射、在軌運(yùn)行、返回等三個(gè)階段。其中，發(fā)射階段與返回階段是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說，如果需要進(jìn)行一次從空間的返回過程，那么就必然對(duì)應(yīng)一次從地面到空間的發(fā)射過程。這樣，天地往返的經(jīng)濟(jì)成本和機(jī)會(huì)成本就會(huì)因發(fā)射成本的高昂和發(fā)射機(jī)會(huì)的有限而急劇增大，而且，由于發(fā)射過程受到準(zhǔn)備時(shí)間、發(fā)射窗口等限制，天地往返的實(shí)時(shí)性無法保證。

一次發(fā)射多次返回的天地往返系統(tǒng)就是要突破目前空間往返過程中發(fā)射與返回一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用一次發(fā)射攜帶多個(gè)充氣式再入飛行器，實(shí)現(xiàn)從軌道上多次返回，滿足航天活動(dòng)過程中快速返回、應(yīng)急返回和機(jī)動(dòng)返回的需求。

充氣式再入飛行器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)，充氣式再入飛行器可以在發(fā)射時(shí)呈折疊包裝狀態(tài)，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在一次發(fā)射過程中，一個(gè)航天器內(nèi)能夠安裝多個(gè)這種再入飛行器。航天器當(dāng)進(jìn)入空間后，無論是在軌飛行，還是空間交會(huì)，都可以根據(jù)需要，從中分離出多個(gè)充氣式再入飛行器，實(shí)現(xiàn)多次返回。

2 國外研究概況與發(fā)展趨勢

在人類開創(chuàng)航天事業(yè)的初期，航天器的再入與返回問題就得到了很大的重視。針對(duì)航天員的應(yīng)急救生與應(yīng)急返回需求，六十年代初期，美國和蘇聯(lián)都進(jìn)行了大量的研究，提出了各種創(chuàng)新的概念和方案，然而，由于當(dāng)時(shí)航天技術(shù)的發(fā)展水平和航天項(xiàng)目的單一性特點(diǎn)，這些方案中的大多數(shù)均沒有被實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，但是，它們的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念卻對(duì)現(xiàn)代航天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非凡的影響力。

一次發(fā)射多次返回的實(shí)用典型是前蘇聯(lián)/俄羅斯遙感衛(wèi)星的多體回收。多體回收是在遙感衛(wèi)星上攜帶幾個(gè)小型再入返回艙，根據(jù)任務(wù)安排從衛(wèi)星中分離出來，攜帶照相膠片返回地面，提高了膠片返回的實(shí)時(shí)性。這項(xiàng)技術(shù)是蘇聯(lián)的專利技術(shù)，沒有對(duì)外公開。目前，隨著充氣式柔性展開技術(shù)的發(fā)展與成熟，有可能突破小質(zhì)量多體回收的再入與降落技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多次返回[2，3]。

2.1 早期充氣式再入飛行器

上世紀(jì)六十年代中期，美國麥道公司就提出充氣式傘錐型（PAPACONE）軌道救生再入裝置的概念，如圖1a所示，可以滿足一名身著航天服的航天員應(yīng)急返回。同期，美國通用電氣公司提出MOOSE（Manned Orbital Operations Safety Equipment）軌道救生再入裝置，如圖1b所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以折疊，使用時(shí)通過發(fā)泡產(chǎn)生泡沫并填充成型，可以滿足一名航天員應(yīng)急返回。

圖1 早期的充氣式再入裝置

2.2 俄羅斯和歐空局的IRDT

俄羅斯提出的新型充氣式再入飛行器（IRDT）技術(shù)是一種新型輕質(zhì)量的返回技術(shù)，如圖2所示，這種柔性充氣式再入飛行器是由隸屬俄羅斯拉瓦斯金聯(lián)合體的巴巴金空間中心聯(lián)合歐空局，針對(duì)“火星-96”項(xiàng)目研發(fā)的火星著陸系統(tǒng)。由于俄羅斯的“火星-96”計(jì)劃在發(fā)射時(shí)失敗，使得這項(xiàng)技術(shù)至今未能得到實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證[1]。

圖2 IRDT再入與降落示意圖

與常規(guī)的由防熱罩和降落傘組成的返回著陸系統(tǒng)相比，IRDT可以使返回的質(zhì)量和費(fèi)用大幅度降低，從而應(yīng)用于空間站物資的返回、運(yùn)載火箭的回收、星際飛行器的著陸以及部分區(qū)域的救生等等。IRDT既可以應(yīng)用于現(xiàn)有航天器，也可以應(yīng)用于未來新型航天器的研制。2000年-2005年期間，俄羅斯利用彈道導(dǎo)彈進(jìn)行了三次亞軌道飛行試驗(yàn)，均未取得完全成功[1]，究其原因主要是因?yàn)樵偃脒^程中柔性織物材料的在氣動(dòng)熱作用下的防熱問題。充氣式再入飛行器需要采用多層復(fù)合的柔性材料來解決氣密性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動(dòng)熱載荷、充氣展開、工藝粘接等問題，這些技術(shù)均是制約充氣式再入飛行器成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的主要關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 美國的IRV

八十年代后期，美國ARS公司研制了一種稱為IRV（Inflatable Reentry Vehicle）的充氣式再入飛行器，并于2009年8月17日利用探空火箭進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖3所示，到達(dá)211km高度后，IRV在短時(shí)間內(nèi)充氣成型。充氣式再入飛行器在包裝狀態(tài)半徑為0.4m，展開后的直徑為3m。該試驗(yàn)成功地達(dá)到了預(yù)期效果，驗(yàn)證了充氣式再入飛行器的展開和再入特性。

圖3 IRV的飛行試驗(yàn)

3 應(yīng)用前景分析

充氣式再入飛行器由于其包裝體積小、重量輕，所以，一經(jīng)問世，立即受到世界各航天大國的關(guān)注和重視。其應(yīng)用設(shè)想從航天器返回到星際著陸，并逐漸向空間站方面的應(yīng)用推廣。

空間站是人類能夠在太空進(jìn)行試驗(yàn)的大型空間基礎(chǔ)設(shè)施，利用空間站的太空環(huán)境和軌道資源，可以進(jìn)行各種地球上無法進(jìn)行試驗(yàn)，例如，空間生物實(shí)驗(yàn)、微重力試驗(yàn)、空間環(huán)境觀測等等。在空間站上的一些試驗(yàn)結(jié)果具有較高的時(shí)效性，需要及時(shí)地返回。按照目前世界各國航天發(fā)展的水平和能力，還無法滿足這樣的需求，而充氣式再入飛行器技術(shù)首先可以針對(duì)這樣的需求進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。

3.1 空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)返回

空間實(shí)驗(yàn)室和空間站能為開展空間生命科學(xué)研究提供寶貴資源。國外已利用空間站開展了大量的生物和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，為下一步的深空探索積累了豐富資料。由于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)樣本有其特殊的時(shí)效性要求，即實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求樣本盡快處理分析，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有科學(xué)意義。比如，空間細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，持續(xù)天數(shù)一般在2d～7d左右，固定或裂解的樣本如不能即刻分析，則需要低溫（-20℃～-4℃）保存。目前，在軌分析的設(shè)備難以完成，冷藏資源（體積）也十分有限，嚴(yán)重制約了空間生命科學(xué)研究的開展。解決此問題的最佳途徑，就是生物樣本能及時(shí)、分批返回。

如果能夠利用充氣式再入飛行器實(shí)現(xiàn)多次返回技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)和滿足在軌生物樣本的及時(shí)、分批返回，將有力地促進(jìn)我國空間生命科學(xué)研究的發(fā)展。

3.2 空間站人員的應(yīng)急返回

隨著空間大型基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，人類進(jìn)入太空的機(jī)會(huì)和進(jìn)入太空的人員數(shù)量也會(huì)越來越多，包括一些非職業(yè)的航天員和太空旅行者，在空間站逗留的時(shí)間也會(huì)越來越長。在這樣的情況下，一旦出現(xiàn)人員生病等意外情況，需要緊急救援和應(yīng)急返回。目前，國際空間站上長期對(duì)接一艘聯(lián)盟號(hào)飛船，作為應(yīng)急返回運(yùn)載工具，但是，這僅僅只能滿足一次應(yīng)急的需求，如果出現(xiàn)多次情況，按照現(xiàn)有的能力將束手無策。充氣式再入飛行器能夠解決這個(gè)問題，可以將多個(gè)飛行器安裝在空間站上，需要時(shí)分離出去，進(jìn)行再入和返回。由于充氣式再入飛行器在使用前可以折疊，大大節(jié)約了空間，從而也節(jié)省了運(yùn)輸費(fèi)用。

3.3 空間站其他貨物的返回

目前，以歐洲為例，因?yàn)闆]有能力回收空間站上的貨物，在使用航天飛機(jī)時(shí)每千克需要支付2.5萬美元，而其每年大概需要運(yùn)輸500kg～800kg的貨物。歐空局認(rèn)為，使用IRDT可以節(jié)約大量的運(yùn)輸經(jīng)費(fèi)[1]。另一方面，空間站貨物的運(yùn)輸，特別是一些試驗(yàn)結(jié)果的快速返回，其整個(gè)過程要求具備一定的實(shí)時(shí)性，而回收的質(zhì)量可能很小，這種情況下，如果繼續(xù)采用飛船或航天飛機(jī)進(jìn)行返回，其成本太高，利用率太低。這時(shí)，小型充氣式返回與降落技術(shù)顯示出巨大的優(yōu)越性，如圖4所示。

此外，充氣式再入飛行器可以攜帶太空武器再入大氣層，對(duì)地面實(shí)施攻擊，也可以作為彈道導(dǎo)彈再入時(shí)安裝在尾部的機(jī)動(dòng)減速裝置，具有巨大的潛在軍事應(yīng)用價(jià)值。

圖4 IRDT技術(shù)應(yīng)用于空間站

4 充氣式再入飛行器組成

一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)是充氣式再入飛行器技術(shù)，因此，對(duì)于典型充氣式再入飛行器而言，其系統(tǒng)功能和組成如下：

4.1 系統(tǒng)的功能

與傳統(tǒng)的再入與返回方式相比，充氣式再入飛行器具有三合一的功能，即同時(shí)具備：

（1）再入防熱罩的功能

在進(jìn)入大氣層時(shí)承受高超聲速氣流的氣動(dòng)熱載荷。

（2）降落傘減速的功能

在超聲速和亞聲速狀態(tài)時(shí)，通過氣動(dòng)力減速，達(dá)到著陸速度要求。

（3）緩沖氣囊的功能

在著陸的瞬間，可以起到著陸緩沖的效果。

除了具備傳統(tǒng)再入與返回系統(tǒng)的組合功能之外，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，充氣式再入飛行器還具有質(zhì)量輕、包裝體積小、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景和開發(fā)潛力。

4.2 系統(tǒng)的組成

充氣式再入飛行器從包裝折疊狀態(tài)到完全展開加速狀態(tài)，經(jīng)歷了自由流、過度流和連續(xù)流等幾個(gè)階段，相應(yīng)的飛行速度也是由超高聲速逐漸降低到亞聲速，直至滿足著陸的要求，它主要包括：

（1）充氣式結(jié)構(gòu)

充氣式結(jié)構(gòu)由多層復(fù)合的織物材料，包括密封層、防熱層、強(qiáng)度層、絕熱層、散熱層等組成。其功能是形成充氣展開結(jié)構(gòu)，保持一定的結(jié)構(gòu)形式和氣動(dòng)外形，并在超聲速條件下能夠承受氣動(dòng)力載荷和氣動(dòng)熱載荷。充氣式結(jié)構(gòu)的材料問題是制約其發(fā)展的最主要的因素。

（2）氣體發(fā)生裝置

充氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部一般充滿氮?dú)?，氣體的來源可以有兩種，一種是攜帶高壓氣瓶，另一種是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，并通過若干個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥門，自動(dòng)地調(diào)節(jié)充氣結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體壓力。

（3）剛性頭錐

由于充氣式再入飛行器展開結(jié)構(gòu)呈倒球錐型，在再入過程中，其頭部是駐點(diǎn)壓力和駐點(diǎn)溫度集中的地方，需要在高壓和高溫條件下不但不能損壞，而且，還必須保持一定的氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。據(jù)俄羅斯幾次飛行試驗(yàn)的結(jié)果表明，頭錐區(qū)域在再入時(shí)的氣動(dòng)熱可以達(dá)到3000℃以上。目前的織物材料無法承受這樣的溫度，另一方面，局部的剛性頭錐區(qū)域?qū)Πb容積應(yīng)沒有影響。

（4）有效載荷艙

有效載荷艙用于安放各種需要從太空返回地面的有效載荷，有效載荷艙安裝在充氣式再入飛行器頭錐部分的內(nèi)側(cè)，一方面保護(hù)其免受氣動(dòng)加熱，同時(shí)，也使得整個(gè)飛行器的重心位置靠近頭錐，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（5）著陸搜救信標(biāo)機(jī)

由于這種再入飛行器仍然是被動(dòng)式再入與返回方式，彈道誤差很大，一般在幾十公里的量級(jí)，因此，需要在系統(tǒng)上安裝信標(biāo)機(jī)，從進(jìn)入亞聲速狀態(tài)開始就發(fā)射信號(hào)，使地面搜救人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)落點(diǎn)位置[5]。

5 主要關(guān)鍵技術(shù)研究狀況

圖5所示為美國、俄羅斯和中國正在研發(fā)階段的充氣式再入飛行器原理樣機(jī)。針對(duì)我國未來的空間實(shí)驗(yàn)室或更大的天基設(shè)施，研究經(jīng)濟(jì)廉價(jià)和機(jī)動(dòng)靈活的再入飛行器，滿足一次發(fā)射多次返回的天地往返運(yùn)輸?shù)男枨?。目前階段，設(shè)計(jì)了底部直徑3m，頭錐角90°的充氣式再入飛行器，進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證。

主要關(guān)鍵技術(shù)研究狀況如下：

（1）一次發(fā)射多次返回的天地往返系統(tǒng)的總體任務(wù)分析

圖5 三個(gè)國家充氣式再入飛行器示意圖

總體任務(wù)分析包括任務(wù)對(duì)象、任務(wù)需求、發(fā)射形式、軌道設(shè)計(jì)、返回形式、著陸要求等等，針對(duì)充氣式再入飛行器的再入運(yùn)動(dòng)模型，與返回式衛(wèi)星有許多相似之處，在初步研究階段，再入運(yùn)動(dòng)可以簡化為彈道式的再入運(yùn)動(dòng)。通過建立軌道動(dòng)力學(xué)方程，利用修正牛頓理論計(jì)算不同馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)，分析不同再入角對(duì)充氣式再入飛行器再入過程的影響，如圖6所示。

（2）柔性充氣展開結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

圖6 過載隨高度的變化

充氣式再入飛行器的柔性充氣結(jié)構(gòu)在成形方面將直接影響氣動(dòng)力系數(shù)，同時(shí)也會(huì)影響再入過程中的氣動(dòng)加熱。因此，進(jìn)行氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)時(shí)不但需要考慮最大過載、再入時(shí)間，還需要考慮對(duì)氣動(dòng)力和氣動(dòng)加熱的影響。

（3）柔性充氣展開結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

充氣式再入飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用解析公式求解和有限元建模仿真兩種途徑。

對(duì)于解析途徑，應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)經(jīng)典應(yīng)力公式，結(jié)合充氣式再入飛行器構(gòu)型，計(jì)算在一定的內(nèi)外壓差下的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布規(guī)律，如圖7所示，確定最大應(yīng)力點(diǎn)位置。

圖7 應(yīng)用解析公式的應(yīng)力分析

對(duì)于數(shù)值仿真途徑，可以采用ANSYS軟件進(jìn)行建模分析，得到的充氣式再入飛行器應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 運(yùn)用ANSYS進(jìn)行充氣式再入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

（4）再入過程氣動(dòng)特性模擬

為了得到充氣式再入飛行器返回過程中在自由分子流和過渡區(qū)域內(nèi)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)，采用直接模擬蒙特卡羅方法（Direct Simulation Monte Carlo）模擬其氣動(dòng)特性[4]，針對(duì)飛行器外形，可以計(jì)算不同高度內(nèi)的流場分布、表面的壓力系數(shù)和熱流密度分布及阻力系數(shù)，如圖9、圖10所示。

圖9 流場溫度云圖

圖10 各高度的阻力系數(shù)和駐點(diǎn)熱流密度

6 結(jié)論和建議

充氣式再入飛行器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的核心技術(shù)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

（1）打破傳統(tǒng)空間往返運(yùn)輸過程中發(fā)射與返回一一對(duì)應(yīng)的模式；

（2）可以為未來空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)航天員提供應(yīng)急返回救生的服務(wù)；

（3）可以實(shí)現(xiàn)多次機(jī)動(dòng)靈活的返回方式；

（4）能夠大幅度降低空間返回的成本。

因此，建議針對(duì)我國未來空間站發(fā)展和貨運(yùn)飛船的發(fā)展規(guī)劃和需求背景，開展研究工作，從小型充氣式再入飛行器回收航天生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等小載荷應(yīng)用入手，逐步實(shí)現(xiàn)航天員應(yīng)急救生的再入與返回，爭取早日實(shí)現(xiàn)一次發(fā)射多次返回的天地往返運(yùn)輸目的。 ◇

［1］ Marraffa L,Kassing D,Baglioni P,et al.Inflatable reentry technologies:flightdemonstration and future prospects.ESA Bulletin,2000,103:78～85

［2］林華寶，馬宏林.載人航天的救生問題.空間站系列文集之四，航天五院，1987

［3］李惠康.軌道救生艇概念研究綜合報(bào)告.863航天高技術(shù)專題論證報(bào)告，1989

［4］James N.Moss,Christopher E.Glass Low-Density Aerodynamics for the Inflatable Reentry Vehicle Experiment.JOURNAL of Spacecraft and Rockets Vol.43,No.6 November-December 2006

［5］賀衛(wèi)亮，韓潮.基于充氣展開技術(shù)一次發(fā)射多次返回的空間往返系統(tǒng)概念研究.中國宇航學(xué)會(huì)飛行器總體專業(yè)委員會(huì)第十屆學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008