雷江利 牟金崗 趙廣秀 李朋迪

（1 北京空間機電研究所 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）

近年來，美、俄等國均在加緊研制功能和性能更強的新一代載人飛船，瞄準載人深空探測、空間站服務、深空居住等多個領域的應用，主要包括美國國家航空航天局（NASA）的“多用途乘員飛行器”（MPCV）、太空探索技術公司（SpaceX）的“載人龍”飛船（Crew Dragon）、波音公司（Boeing）的“星際客船”（Starliner）飛船以及俄羅斯與歐洲合作研制的新型“未來載人運輸系統(tǒng)”（PPTS）。在著陸方式上，“多用途乘員飛行器”和“載人龍”飛船選擇了以傾斜姿態(tài)水面直接濺落的方式，而“星際客船”的氣囊緩沖方案則能夠同時適應著陸和著水兩種方式[1-2]。

我國新一代載人飛船采用全新的氣動外型返回艙，全面兼顧近地軌道自主飛行、空間站運營、載人登月、深空探測等多種飛行任務，采用群傘系統(tǒng)氣動減速和大載重氣囊著陸緩沖的減速著陸方案。通過配置不同的服務艙模塊，可以滿足多任務目標，具備人員往返、貨物運輸等多種用途，預計2026年前后將具備載人飛行能力。新一代載人飛船試驗船搭載長征五號B（CZ－5B）運載火箭成功完成了飛行試驗任務，為我國后續(xù)新飛船的研制立項和方案優(yōu)化設計提供了強有力的支撐。

1 回收著陸系統(tǒng)概況

從航天器系統(tǒng)組成角度來看，在大氣層內利用降落傘進行減速的部分均可稱為降落傘減速系統(tǒng)，利用著陸緩沖裝置進行緩沖著陸的部分均可稱為著陸緩沖系統(tǒng)，兩者統(tǒng)稱為減速著陸系統(tǒng)。而對于載人飛船，負責飛船返回艙減速著陸的系統(tǒng)通常也可稱為回收著陸系統(tǒng)。減速著陸是載人航天活動的最后步驟，也是載人航天任務成敗的最終標志，負責飛船減速著陸的回收著陸系統(tǒng)是載人飛船最為關鍵的分系統(tǒng)之一[3]。

新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)從2016年初開始研制，到2019年底歷時約4年完成了相關的設計和試驗驗證工作，并出廠參加飛行試驗。研制過程采用了一步正樣、分類管理的全新模式，先后攻克了多項技術難題，初步掌握了大型群傘系統(tǒng)氣動減速、大載重主動排氣式組合氣囊著陸緩沖、大型返回艙模型吊掛式空投試驗等關鍵技術，研制出了目前國內回收質量最大、著陸速度最低、系統(tǒng)組成和工作程序最復雜的一套載人航天器回收著陸系統(tǒng)，主要由控制子系統(tǒng)、降落傘子系統(tǒng)、火工裝置子系統(tǒng)、結構子系統(tǒng)、著陸緩沖子系統(tǒng)、標位子系統(tǒng)產品以及控制軟件組成。

回收著陸系統(tǒng)加電啟動后由控制子系統(tǒng)進行自動判斷，選擇相應的工作程序。首先將降落傘連接分離機構艙蓋以一定的分離速度彈射出去，隨后彈射打開兩具減速傘；減速傘開傘后先后解除二級收口并充氣至全張滿狀態(tài)，返回艙下降到一定高度后主傘艙蓋解除約束、減速傘與返回艙分離將主傘拉出，主傘開傘后先后解除二級收口并充氣至全張滿狀態(tài)。返回艙乘主傘穩(wěn)定下降至一定高度時拋掉防熱大底，然后轉換為雙點吊掛狀態(tài)，為緩沖氣囊工作創(chuàng)造條件。在預定的高度，緩沖氣囊開始充氣展開，隨后著陸敏感器加電工作并實時判斷返回艙的狀態(tài)，同時發(fā)出緩沖氣囊排氣和著陸信號。

2 回收著陸系統(tǒng)任務與功能

新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)的任務主要包括兩個方面：

1）通過自動控制技術，利用降落傘減速裝置，實現返回艙在再入大氣末段的氣動減速，通過著陸緩沖手段，保證返回艙以規(guī)定速度及過載安全著陸地面，落地后實現自動脫主傘。

回收著陸系統(tǒng)主要工作過程示意圖

2）通過閃光標位手段，為返回艙提供標位功能，提供地面搜索信號。根據上述任務要求，回收著陸系統(tǒng)啟動后正常情況下按照正?；厥罩懗绦蚬ぷ鳎軌蜃詣訖z測系統(tǒng)故障并進行處置；通過群傘系統(tǒng)使進入稠密大氣層并已達到穩(wěn)定下降速度的返回艙進一步減速，保證返回艙下降速度滿足著陸緩沖氣囊的工作要求；返回艙著陸時采用氣囊緩沖裝置將乘降落傘下降的返回艙再次制動，并確保著陸沖擊過載滿足要求，最大限度保障返回艙結構完好，滿足可重復使用需求；同時確保著陸前正常工作的傘系不會自動脫傘，著陸后實現自動脫主傘；返回艙落地后通過閃光標位手段，為返回艙提供標位功能，提供地面搜索信號。

新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)能夠實現自動控制、著陸緩沖、氣動減速、自動脫傘、標位搜尋五大功能。

回收著陸系統(tǒng)功能組成示意圖

3 回收著陸系統(tǒng)工作及任務特點

工作特點

回收著陸系統(tǒng)的工作表現出以下特點：①系統(tǒng)必須具有高可靠性；②工作必須具有自主性；③工作過程具有不可逆性；④與航天器總體關系密切；⑤產品要經受整個飛行環(huán)境的考驗；⑥工作受其他系統(tǒng)影響大；⑦一次性工作的產品比較多，如降落傘產品、火工裝置產品、緩沖氣囊產品等[4-5]。

另外，載人飛船回收著陸系統(tǒng)的工作成敗直接關系到航天員的生命安全。由于飛船返回艙在返回過程中處于高速運動狀態(tài)，工作過程是由一系列不可逆的按時序執(zhí)行的動作所組成，因此工作程序需要適應多種狀態(tài)，而且回收著陸系統(tǒng)工作時高度相對較低（一般在10km以下啟動），一旦回收著陸系統(tǒng)在工作過程中出現故障征兆，外界無法有足夠的時間采取營救措施，因此對系統(tǒng)的可靠性冗余設計、故障模式識別和故障容限能力具有較高要求。此外，由于控制器和時間控制器之間既不同于并聯(lián)關系又有別于冷儲備關系，高度控制器之間也不是簡單的并聯(lián)關系，以及降落傘系統(tǒng)組成和工作過程的復雜性，導致回收著陸系統(tǒng)的可靠性冗余設計和評估存在其獨有的特殊性和評估方法[6-7]。

基于以上工作特點，新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)在可靠性設計時重點關注頂層設計，首先在系統(tǒng)層面開展冗余設計，確?；厥障到y(tǒng)固有可靠性，并主要從工作程序可靠性、關鍵環(huán)節(jié)可靠性、單機產品可靠性等多個方面進行了相應的設計。

任務特點

根據新一代載人飛船的需求目標和約束條件，在總體層面進行分析，最終設計出滿足目標和約束的回收著陸系統(tǒng)，包括初始條件和要求、終端條件和要求、系統(tǒng)基本配置和布局約束條件等[5]。需求和目標的實現應在約束條件下反復進行迭代分析、比較和權衡，包括經費約束、進度約束、技術約束以及政治條件和政策安排等[8]。此外，回收著陸系統(tǒng)降落傘、緩沖氣囊等柔性產品的加工精度具有較大的離散性，并且真實狀態(tài)的系統(tǒng)級試驗驗證模擬較為困難，同時飛行試驗邊界條件具有較大的不確定性，而降落傘系統(tǒng)發(fā)生失效的后果則具有很高的致命性。

與“神舟”飛船返回艙不同，新一代載人飛船試驗船返回艙采用了密封艙和非密封艙相互獨立的設計方案。根據飛船設備安裝布局，回收著陸系統(tǒng)的產品均安裝在非密封艙內，因此產品在發(fā)射、在軌運行和返回再入段會經受復雜多變的大氣壓力環(huán)境，降落傘和緩沖氣囊屬于采用壓力包裝的柔性裝置產品，因此在折疊包裝和安裝布局設計時均需要考慮到外界環(huán)境壓力變化對產品安裝和工作特性可能造成的影響。

（1）降落傘系統(tǒng)特點

與單傘系統(tǒng)相比，群傘系統(tǒng)工作時的拉直開傘、充氣展開過程、各級開傘載荷、艙傘系統(tǒng)動力學均呈現出不同的特性，設計時需要考慮各傘之間的開傘不同步、相互纏繞、流場耦合干擾等因素。同時，群傘系統(tǒng)熱備份的工作方式、失效機理、故障模式和可靠性冗余設計思路與“神舟”飛船主備兩套系統(tǒng)冷備份的方式也有較大區(qū)別。

降落傘系統(tǒng)的工作直接關系到試驗船返回艙能否安全著陸，因此對降落傘系統(tǒng)的工作可靠性要求很高。盡管有“神舟”飛船降落傘系統(tǒng)設計和應用的成功經驗可供借鑒，但由于新一代載人飛船試驗船返回艙的安裝布局、系統(tǒng)結構、幾何尺寸、質量特性、工作條件等均發(fā)生了很大變化，而且受到質量與體積的限制、返回艙布局構型的約束，與“神舟”飛船降落傘系統(tǒng)集中式安裝布局不同。新一代載人飛船試驗船返回艙減速傘組件布局在返回艙上部、主傘組件布局在返回艙下部，這種分布式布局方案使降落傘系統(tǒng)的開傘方式、工作程序、艙傘系統(tǒng)動力學特性及其設計都具有獨特的特點。

（2）著陸緩沖系統(tǒng)特點

針對新一代載人飛船試驗船返回艙重復使用的需求，著陸緩沖過程中和緩沖結束后均應避免返回艙大底和結構接觸到地面。因此，氣囊排氣后應對返回艙形成有效的支撐，即緩沖氣囊需要采用多腔體的設計方案，既要保證著陸緩沖過載滿足要求，又要避免艙體反彈造成結構損傷或者傾倒，氣囊的排氣時機選擇和排氣參數設置尤為重要。

此外，為了避免在較大的水平速度下著陸緩沖時返回艙出現側翻的現象，應重點考慮著陸緩沖過程中的穩(wěn)定性，需要采用能夠適應不同著陸地形、返回艙著陸姿態(tài)等復雜工況的排氣控制策略。

4 技術特點及性能評估

1）新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)是目前國內回收質量最大、著陸速度最低、系統(tǒng)組成和工作程序最復雜的一套載人航天器回收著陸系統(tǒng)。在國內載人航天器回收領域首次采用群傘系統(tǒng)氣動減速和大載重氣囊著陸緩沖的方案，實現了返回艙無損著陸回收。主要技術指標達到國內領先、國際先進水平，填補了大載重氣囊緩沖技術的國內空白。

2）綜合考慮整船的布局優(yōu)化設計需求，采用分布式布局下的減速傘單獨彈射開傘與主傘組件集群式開傘相結合的方案，以及開傘過程分析與控制技術，實現了整船質量和質心特性最優(yōu)化配置；緩沖氣囊采用組合式結構，同步實現返回艙著陸緩沖和支撐保護功能，氣囊采用結構賦型設計技術，提高載荷傳遞效率，控制著陸沖擊過載，結合基于分布式過載信號的氣囊主動排氣控制策略，實現了大質量返回艙無損回收，為整船的重復使用奠定了基礎。

3）減速傘及主傘系統(tǒng)均采用熱備份冗余設計方案。在降落傘連接分離機構艙蓋彈射和主傘艙蓋解鎖分離環(huán)節(jié)，均采用了全新的冗余設計技術，在滿足彈射速度指標、連接力和沖擊載荷指標的同時，實現正常和故障模式下的艙蓋彈射分離。

4）通過降落傘連接分離機構多模式連接與分離方案設計，實現了減速傘正常連接與分離、故障模式下的故障隔離和冗余分離、著陸和著水模式下的返回艙垂掛轉換及脫主傘等功能，是目前功能最復雜、集成度最高、承受沖擊載荷能力最強的一套載人航天器用多模式降落傘連接分離機構。

5）群傘系統(tǒng)多級收口工作特性、載荷特點與單傘、單級收口方式區(qū)別較大，通過采用多級收口方案、收口繩狀態(tài)約束及解除控制技術，達到了群傘系統(tǒng)充氣展開和載荷控制的目的，實現了降落傘各級開傘過載的一致性均衡控制。

6）充分將物理試驗與仿真試驗相結合，優(yōu)化試驗方案和流程。通過試驗實施掌握了大型試驗過程沖擊載荷控制、直升機外掛起飛與投放控制技術，大尺寸、大質量的返回艙試驗方案設計和試驗實施技術處于國內領先水平。

7）閃光標位器、時間控制器、壓力傳感器等部分產品采用了“神舟”飛船飛行試驗的返回件，對飛行產品重復使用的模式進行了初步的探索和研究，為后續(xù)新一代載人飛船的重復使用積累了試驗數據。

5 結論與建議

進入、減速與著陸過程是載人深空探測任務的最后步驟，回收著陸系統(tǒng)能否正常工作是確保航天員安全返回的關鍵，也是載人深空探測任務成敗的最終標志。結合目前深空探測任務呈現出的特點，我國后續(xù)在新一代載人飛船回收著陸系統(tǒng)的研制中應重點關注以下幾個方面，針對性地開展關鍵技術攻關：

1）對返回艙重復使用和著陸穩(wěn)定性提出了更高的要求。應盡量避免返回艙傾倒和結構受損，回收著陸系統(tǒng)降落傘、氣囊產品也應開展重復使用所涉及的無損檢測、狀態(tài)修復、性能評估等關鍵技術研究?；厥罩懴到y(tǒng)要能夠適應不同任務、不同返回模式的需求，通過快速響應和迭代組成不同數量和規(guī)模的群傘減速系統(tǒng)，實現針對不同任務的最佳優(yōu)化組合配置。

2）僅通過實驗室研發(fā)和環(huán)境模擬試驗并不能徹底解決所有關鍵技術并最大限度降低風險，基于高空氣球和高性能大型運輸機模擬真實條件試驗驗證的能力是一個關鍵。新一代載人飛船大尺寸、大質量返回艙對試驗的平臺設備、試驗模擬技術提出了更高的要求，如何更真實地模擬地面著陸環(huán)境、返回艙著陸姿態(tài)、降落傘開傘條件等試驗技術研究，對試驗驗證的充分性和有效性至關重要，同時需要對試驗縮比等效準則、可靠性驗證方法和評估理論開展深入研究，優(yōu)化試驗方案并提高驗證效率。

3）為適應大質量返回艙減速的需求，需要掌握群傘系統(tǒng)設計理論和方法。利用新發(fā)展的降落傘流固耦合仿真及動力學建模仿真理論和方法，研究群傘的工作特性，研發(fā)高可靠、高性能的群傘減速系統(tǒng)，提高降落傘減速的可靠性。目前，國內的相關研究尚處于起步階段，需開展深入的基礎理論研究，突破群傘系統(tǒng)建模和分析技術，為方案設計優(yōu)化提供支撐。

4）針對大型復雜群傘系統(tǒng)高動態(tài)、柔性大變形特點的充氣展開過程，各傘之間的相互作用和影響均有別于單傘系統(tǒng)，直接載荷和變形測量更加困難，需要著重發(fā)展和突破非接觸式、高精度圖像測量和分析技術，獲取開傘充氣過程的關鍵特性參數，深入掌握群傘系統(tǒng)工作特性。

我國通過返回式衛(wèi)星、載人飛船和探月工程任務的實施，已經實現了從近地軌道第一宇宙速度再入返回到深空探測第二宇宙速度再入返回的跨越，為后續(xù)的深空探測任務奠定了技術基礎。在新一代載人飛船試驗船回收著陸系統(tǒng)研制過程中，我國已初步掌握了群傘系統(tǒng)氣動減速技術、大載重氣囊緩沖和穩(wěn)定性控制技術，這為我國后續(xù)開展新一代載人飛船研制和載人深空探測工程立項奠定了堅實的基礎。后續(xù)我國將進行載人深空探測與返回相關的減速著陸新技術研究和關鍵技術攻關，進一步促進減速著陸技術的全方位發(fā)展。