李旭東張鵬尚明友張紅英童明波

（1南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

（2中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，金星探測(cè)將是今后的研究重點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的金星進(jìn)入飛行器具有很大的局限性，不能滿足金星探測(cè)的發(fā)展要求。例如熱防護(hù)方面，傳統(tǒng)的熱防護(hù)方式一般是采用硬質(zhì)材料，如“先鋒號(hào)”金星探測(cè)器防熱罩[1]，其最大缺點(diǎn)是自身質(zhì)量過高，尺寸會(huì)隨著航天器質(zhì)量及體積的增大而增大，加之受運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的約束，這樣就極大地限制了航天器的有效載荷運(yùn)輸能力；在減速緩沖方面，傳統(tǒng)的方式是采用降落傘的方式，如美國(guó)的“金星無畏號(hào)”鑲嵌地貌著陸器，是采用降落傘實(shí)現(xiàn)減速著陸[2]，這種方式面臨降落傘氣動(dòng)加熱嚴(yán)重、著陸精度控制難、載荷較小等問題。因此，針對(duì)未來大載荷著陸的金星探測(cè)需求，需要一種新型的進(jìn)入系統(tǒng)[3]。

現(xiàn)階段對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的研究集中在充氣展開式和機(jī)械展開式，本文將重點(diǎn)研究機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器。美國(guó)于2010年提出了自適應(yīng)性可展開進(jìn)入和定位技術(shù)（adaptive deployable entry and placementtechnology，ADEPT），這是一種適用于金星探測(cè)、火星探測(cè)等深空探測(cè)的機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器[4]，它依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)展開，可以起到熱防護(hù)和減速的作用，是一種創(chuàng)新性的技術(shù)[5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器（mechanically-deployed entry decelerator，MDED）還沒有相關(guān)的研究，本文針對(duì)基于ADEPT技術(shù)的金星探測(cè)機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器進(jìn)行介紹和研究，結(jié)果表明這種技術(shù)具有很好的適應(yīng)性，可為將來深空探測(cè)提供一種新的技術(shù)途徑。

1 機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器簡(jiǎn)介

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器是一種半剛性、機(jī)械式的減速器，發(fā)射時(shí)處于收攏狀態(tài)，可以節(jié)省火箭的空間，進(jìn)入時(shí)依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)將柔性熱防護(hù)層展開，形成較大的氣動(dòng)面進(jìn)行熱防護(hù)和減速。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器整體結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)雨傘，其工作狀態(tài)主要有兩種，發(fā)射及在軌時(shí)處于收攏狀態(tài)，進(jìn)入時(shí)處于展開狀態(tài)，如圖1所示[6]。

圖1 機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器兩種狀態(tài)Fig.1 Two works tate of MDED

展開結(jié)構(gòu)主要由輻條、連接桿、防熱頭錐、主體及三維編織碳纖維層組成，如圖2所示[7]。

防熱頭錐是由傳統(tǒng)的剛性防熱材料構(gòu)成，主要起熱防護(hù)的作用；三維編織碳纖維層是一種新型柔性防熱材料，展開后形成氣動(dòng)面起到熱防護(hù)和減速的作用[8]；輻條由金屬材料或者復(fù)合材料制成，其一端與防熱頭錐相連，同時(shí)通過連接桿與主體相連，三維編織碳纖維層也連接在輻條上；連接桿的主要作用是連接輻條和主體結(jié)構(gòu)；主體主要用來連接載荷及展開結(jié)構(gòu)，飛行器受到的氣動(dòng)力通過輻條和連接桿傳遞到主體結(jié)構(gòu)上。

圖2 機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器基本組成Fig.2 MDED structure configurations

1.2 展開過程

防熱頭錐與主體之間通過鉸鏈相連，鉸鏈將防熱頭錐下拉，收納約束釋放，連接桿繞軸向外旋轉(zhuǎn)，引起輻條上部繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輻條往外延伸，帶動(dòng)三維編織碳纖維層展開，當(dāng)主體部分與防熱頭錐貼合時(shí)，展開過程完成，如圖3所示。

圖3 機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器展開過程Fig.3 Fig. 3 Deployment process of MDED

2 研究現(xiàn)狀

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器還處于概念設(shè)計(jì)階段，現(xiàn)階段主要進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和仿真，主要集中在柔性熱防護(hù)材料，氣動(dòng)熱及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真幾個(gè)方面[8-11]。

2.1 柔性熱防護(hù)材料研究

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器的柔性熱防護(hù)材料是由三維編織碳纖維構(gòu)成，具有折疊性好、透氣性低、耐高溫性能好等優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 三維編織碳纖維結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of 3D woven carbon cloth

三維編織碳纖維不同于傳統(tǒng)的剛性燒蝕材料，其質(zhì)量更輕，由于展開之后氣動(dòng)面更大，因此其彈道系數(shù)更小，熱流密度也更小，因此工作時(shí)間更長(zhǎng)。美國(guó)針對(duì)4mm厚度的三維編織碳纖維層進(jìn)行了燒蝕試驗(yàn)和氣動(dòng)剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證了材料的可靠性，其所能承受的熱載荷可以達(dá)到15.7kJ/cm2[12]。

2.2 氣動(dòng)分析

深空探測(cè)飛行器在高超聲速進(jìn)入過程中會(huì)經(jīng)歷非常嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，因此需要對(duì)氣動(dòng)加熱進(jìn)行詳細(xì)的研究。

傳統(tǒng)的剛性防熱罩是光滑的，不存在大變形，因此其熱流密度分布比較均勻。機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器是一個(gè)半剛性的結(jié)構(gòu)，柔性織物在展開時(shí)與輻條的連接處會(huì)存在一定的凸起，因此機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器可以看成是一個(gè)有棱角的鈍頭體，如圖5所示。同時(shí)柔性織物受氣動(dòng)力的作用會(huì)有一定程度的凹陷，如圖6所示，織物張力不同會(huì)造成凹陷程度不同。凹陷會(huì)引起局部的氣動(dòng)加熱上升，為了防止局部的氣動(dòng)加熱引起整體結(jié)構(gòu)的破壞，因此需要對(duì)變形后的結(jié)構(gòu)詳細(xì)的研究。由于機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器還沒有進(jìn)行飛行試驗(yàn)，因此現(xiàn)階段主要依靠數(shù)值仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖5 MDED棱角鈍頭體外形Fig.5 MDED configurations idealized a ribbed blunted pyramid

圖6 MDED帶凹陷的棱角鈍頭體外形Fig.6 MDED configurations idealized a blunted pyramid with deflected facets

由于“先鋒號(hào)”金星探測(cè)器的進(jìn)入速度達(dá)到11.5km/s，因此NASA在計(jì)算時(shí)選取了11.5km/s的速度對(duì)MDED進(jìn)行了氣動(dòng)熱分析，分析了織物沒有凹陷、5cm凹陷、10cm凹陷情況下的熱流密度，如圖7所示。

圖7 熱流密度Fig.7 Heatflux

通過仿真可以看出，存在凹陷的區(qū)域熱流密度會(huì)降低，凹陷區(qū)域兩側(cè)的輻條熱流密度會(huì)上升。這是由于高超聲速飛行器駐點(diǎn)處的對(duì)流傳熱與曲率半徑的平方根成反比，凹陷導(dǎo)致輻條處的曲率半徑減小，引起熱流密度升高[13]。

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器的關(guān)鍵部分是其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過軟件CATIA對(duì)機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器進(jìn)行了建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并確定了其幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)副[14]。

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器展開結(jié)構(gòu)是由12根輻條構(gòu)成，每根輻條由兩根連接桿與主體相連，由于沒有考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此結(jié)構(gòu)是等截面的。輻條長(zhǎng)度為1800mm，連接桿長(zhǎng)度為1200mm，兩者的連接點(diǎn)位于輻條1/3處，兩根連接桿的夾角是15°。飛行器收攏時(shí)其整體結(jié)構(gòu)尺寸為高度2650mm，直徑3m，展開時(shí)高度1530mm，直徑6m。

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)首先約束主體部分固定，定義頭錐與主體之間為圓柱約束，定義輻條與頭錐之間的連接為旋轉(zhuǎn)副，輻條與主體之間的連接為球絞，連接桿與輻條之間為萬向節(jié)，給頭錐一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)的距離為1200mm，通過仿真得到正確的收攏、展開過程。與普通的四連桿機(jī)構(gòu)不同，MDED一根輻條上采用了兩根連接桿，這可以提高飛行器在進(jìn)入過程的穩(wěn)定性，防止在氣動(dòng)力作用下旋轉(zhuǎn)。

3 與傳統(tǒng)飛行器對(duì)比

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器與傳統(tǒng)飛行器相比在著陸載荷尺寸一致的情況下，其結(jié)構(gòu)構(gòu)型、工作流程、減速和熱防護(hù)效果等存在很大的不同。

3.1 構(gòu)型對(duì)比

為了降低研制的風(fēng)險(xiǎn)，用于金星探測(cè)的機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器是以傳統(tǒng)的“金星無畏號(hào)”鑲嵌地貌著陸器（venus intrepid tessera lander，VITaL）為基礎(chǔ)改進(jìn)的，兩者的著陸載荷在尺寸上完全一致，圖8為傳統(tǒng)的VITaL構(gòu)型圖[15]。

圖8 傳統(tǒng)VITaL構(gòu)型Fig.8 TraditionalVITaL

傳統(tǒng)VITaL的防熱罩是由碳酚醛材料制成，錐角為45°，最大直徑為3.5m。機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來說，著陸器的構(gòu)型沒有任何改變，只是將傳統(tǒng)的防熱罩替換成機(jī)械展開式飛行器，如圖9所示。發(fā)射時(shí)機(jī)械展開式飛行器處于收納狀態(tài)，直徑為3m，展開之后直徑達(dá)到6m，錐角為70°。相同載荷條件下，機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器發(fā)射時(shí)可以節(jié)省火箭的空間，展開之后直徑更大，可以顯著地降低彈道系數(shù)。

圖9 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與機(jī)械展開式飛行器對(duì)比Fig.9 Difference between traditional VITaL and MDED-VITaL

3.2 工作流程對(duì)比

傳統(tǒng)的VITaL進(jìn)入過程中依靠碳酚醛防熱罩進(jìn)行熱防護(hù)，在完成熱防護(hù)之后，在60km高空主降落傘開傘，防熱罩脫離，然后通過主降落傘繼續(xù)減速，減速到50km高度時(shí)后蓋與著陸器分離，降落到15km高時(shí)下降攝像機(jī)開始工作，最后通過反推發(fā)動(dòng)機(jī)和減震器實(shí)現(xiàn)著陸，如圖10所示[16]。

圖10 傳統(tǒng)VITaL工作流程Fig.10 Work flow of traditional VI TaL

機(jī)械展開式飛行器的工作流程如圖11所示。在發(fā)射之后，探測(cè)器需要經(jīng)歷16個(gè)月的巡航到達(dá)金星，在巡航過程中飛行器處于折疊收納狀態(tài)，通過軌道艙進(jìn)行支持。進(jìn)入之前，機(jī)械結(jié)構(gòu)依靠軌道艙的動(dòng)力展開，同時(shí)軌道艙的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火進(jìn)行5r/min的自旋運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)械展開式飛行器與軌道艙分離之后的穩(wěn)定性。與軌道艙分離之后機(jī)械展開式飛行器進(jìn)入金星大氣層，進(jìn)行減速和熱防護(hù)，在速度降到Ma=0.8時(shí)，著陸器與飛行器通過降落傘分離，最終著陸器通過降落傘緩沖著陸[17]。

3.3 效果對(duì)比

傳統(tǒng)的VITaL碳酚醛防熱罩工作時(shí)間較短，彈道系數(shù)達(dá)到200～250kg/m2，進(jìn)入過程中的熱流密度達(dá)到4500W/cm2，過載的峰值達(dá)到3000m/s2左右，這對(duì)設(shè)備提出了很高的要求。

圖11 機(jī)械展開金星探測(cè)器工作流程Fig.11 Work flow of MDED-VITaL

機(jī)械展開飛行器展開之后氣動(dòng)面更大，傳統(tǒng)剛性防熱罩的直徑3.5m，其展開之后直徑可以達(dá)到6m甚至更大，錐角為70°（傳統(tǒng)的防熱罩為45°），三維編織碳纖維的工作時(shí)間也更長(zhǎng)。因此，機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器可以顯著地降低熱流密度和過載，熱流密度減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在300W/cm2左右，過載峰值在 300m/s2左右[18]。

隨著過載和熱流密度的降低，對(duì)著陸器設(shè)備可靠性的要求也相應(yīng)的降低，因此在同樣的任務(wù)需求和載荷尺寸下，可以使用可靠性較低的著陸設(shè)備，從而減少著陸設(shè)備的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器的原理和研究現(xiàn)狀。相比于傳統(tǒng)的進(jìn)入飛行器可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)[19]，其優(yōu)勢(shì)包括:

1）具有熱防護(hù)、減速等作用，是一種多用途的載具，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；

2）熱流密度低、過載小，因此可以降低對(duì)設(shè)備的要求，可以減輕整體的質(zhì)量；

3）熱防護(hù)材料質(zhì)量輕、可折疊、耐高溫，可以取代傳統(tǒng)的剛性防熱罩；

4）收納后對(duì)火箭整流罩適應(yīng)性好，傳統(tǒng)剛性防熱罩徑向尺寸較大，受到整流罩尺寸的限制，機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器收納之后主要處于火箭的軸向，對(duì)整流罩要求降低。

機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器為深空探測(cè)提供了一種新的途徑，未來的研究重點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、姿態(tài)控制、流固耦合分析、大尺寸結(jié)構(gòu)研究等方面[20]。我國(guó)在這一方面還未起步，針對(duì)于深空探測(cè)的任務(wù)需求需要對(duì)機(jī)械展開式進(jìn)入飛行器進(jìn)行相關(guān)的研究。

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