火星降落傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與初步性能試驗(yàn)研究

張宇

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

自從2008年“鳳凰號(hào)”（Phoenix）成功著陸火星以來，作為航天技術(shù)三大重要領(lǐng)域之一的深空探測(cè)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。它已成為美國、俄羅斯和日本等擁有空間技術(shù)實(shí)力的國家在本世紀(jì)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。在深空探測(cè)領(lǐng)域，人類探索最多的行星是火星。迄今為止，人類先后共進(jìn)行了15次火星著陸任務(wù)，其中有7次成功著陸，前蘇聯(lián)1次、美國6次。

火星探測(cè)的進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)（Entry，Descent and Landing,EDL）是火星探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。進(jìn)入、減速與著陸火星的過程與地球上的方式類似，進(jìn)入大氣層后一般先通過著陸艙的氣動(dòng)外形減速，然后彈出降落傘再度減速，在接近地面時(shí)再采用制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推，使其進(jìn)一步減速，最后通過氣囊或著陸支架的方式進(jìn)行著陸緩沖，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的軟著陸。從減速功效看，降落傘減速是人們公認(rèn)的最佳手段，目前已進(jìn)行的火星著陸均采用此方案。據(jù)報(bào)導(dǎo)美國用于火星EDL的降落傘系統(tǒng)全部采用盤縫帶傘 （Disk-Gap-Band parachute，DGB）。

隨著我國航天工業(yè)的快速發(fā)展，深空探測(cè)技術(shù)也正被逐步提到議事日程上來。但是作為火星EDL重要組成部分的降落傘系統(tǒng)的研發(fā)目前尚未正式開展。本文以此為切入點(diǎn)，對(duì)火星降落傘中盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能進(jìn)行研究。

2 國外發(fā)展情況

2.1 美國發(fā)展情況

美國宇航局（NASA）于20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行火星降落傘的研究，先后進(jìn)行過十字傘、環(huán)帆傘和盤縫帶傘等多種傘型的研究，最終采用盤縫帶傘作為火星降落傘[1]。其已經(jīng)發(fā)射的7個(gè)火星著陸器的降落傘系統(tǒng)全部采用盤縫帶傘的單級(jí)氣動(dòng)減速，并且將“海盜號(hào)”（Viking）著陸器的盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，作為盤縫帶傘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而被廣泛參考應(yīng)用。目前在研的“火星試驗(yàn)室”（MSL）也采用此結(jié)構(gòu)。MSL盤縫帶傘的名義直徑達(dá)到21.5m,傘繩長度為36.6m，共有80根傘繩（如圖1所示），吊掛載荷質(zhì)量為900kg，最大開傘速度馬赫數(shù)為2.2，最大開傘動(dòng)壓為750Pa[2]，是目前最大的火星傘，MSL計(jì)劃于2011年發(fā)射。

圖1 MSL盤縫帶傘展開圖

2.2 歐洲發(fā)展情況

歐空局（ESA）于20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行火星降落傘的研究，其已經(jīng)發(fā)射的“獵兔犬-2”（Beagle 2）火星著陸器（著陸后失效）的降落傘系統(tǒng)采用盤縫帶傘+環(huán)縫傘的多級(jí)氣動(dòng)減速結(jié)構(gòu)。目前在研的“火星生物試驗(yàn)室”（ExoMars）也采用同種結(jié)構(gòu)，采取這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量較小，但缺點(diǎn)是開傘程序比較復(fù)雜。ExoMars盤縫帶傘的名義直徑為11m,傘繩長度為22m，共有36根傘繩，吊掛載荷質(zhì)量為240kg，最大開傘速度馬赫數(shù)為2.1，最大開傘動(dòng)壓為910Pa[3]。ExoMars計(jì)劃于2016年發(fā)射。

目前，俄羅斯在研的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）的降落傘系統(tǒng)傘型不詳，Phobos-Grunt計(jì)劃于2011年發(fā)射，屆時(shí)我國首個(gè)火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”將一同搭載升空。

圖2 盤縫帶傘結(jié)構(gòu)型式示意圖

3 盤縫帶傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式

盤縫帶傘是開縫傘的一種，主要由傘衣、傘繩和吊帶等組成。其中傘衣由平面圓形“盤”和圓筒形“帶子”組成，中間有較寬縫隙將兩者垂直分開，傘衣幅頂部呈三角形，底部呈矩形[4]。由于盤縫帶傘的傘衣上有較寬的縫隙，因此穩(wěn)定性較好，擺動(dòng)角一般在5°～10°之間。盤縫帶傘的阻力系數(shù)約為0.4～0.7。具體結(jié)構(gòu)型式見圖2。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

隨著Viking著陸器的成功著陸，其盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)便成為了盤縫帶傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一。Viking盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)透氣量為12.6%，帶寬比（帶面積與名義面積之比）為35%，縫寬比（縫面積與名義面積之比）為12%。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[8]。

表1 各種盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

NASA和ESA在后續(xù)型號(hào)盤縫帶傘的設(shè)計(jì)都是在Viking盤縫帶傘基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。由于兩者在火星EDL用盤縫帶傘的設(shè)計(jì)思路上有所不同，因此具體結(jié)構(gòu)上也有明顯差異，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)透氣量、帶寬、縫寬等方面。

Phoenix和MSL盤縫帶傘的設(shè)計(jì)基本上沿用了Viking盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其結(jié)構(gòu)透氣量均為12.8%[5]。本文將這種傘型稱為Viking型盤縫帶傘，該傘型兼顧阻力性能和穩(wěn)定性要求。

“火星探路者”（MPF）和“火星漫游者”（MER）盤縫帶傘的設(shè)計(jì)分別采用了1.9倍和1.8倍的Viking盤縫帶傘的帶寬，其結(jié)構(gòu)透氣量分別為8.9%和9.8%[6－7]。本文將這種傘型稱為MPF及其改進(jìn)型盤縫帶傘，該傘型比較強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性要求。

ExoMars盤縫帶傘的設(shè)計(jì)采用了兩倍的Viking盤縫帶傘的縫寬，其結(jié)構(gòu)透氣量為22.4%。本文將這種傘型稱為ExoMars型盤縫帶傘，作為減速傘，該傘型也比較強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性要求。

鑒于ExoMars型盤縫帶傘只用做減速傘，阻力系數(shù)較小，因此本文傾向于參考阻力系數(shù)較大的Viking型和MPF及其改進(jìn)型盤縫帶傘進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

在參考Viking型和MPF及其改進(jìn)型兩種盤縫帶傘參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文充分考慮了后續(xù)性能試驗(yàn)條件對(duì)傘衣尺寸和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求展開具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)出4種名義面積為2m2的盤縫帶傘。這4種傘傘衣分別采用了544涂層錦絲綢和K58326-3高強(qiáng)錦絲綢兩種不同織物透氣量的材料（544涂層錦絲綢的織物透氣量為0，K58326-3高強(qiáng)錦絲綢的織物透氣量為150～350 L/（m2·s）），傘繩采用的是高強(qiáng)聚乙烯（PE）繩。具體設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 四種盤縫帶傘的設(shè)計(jì)結(jié)果

4 初步性能試驗(yàn)

為確定這4種盤縫帶傘的阻力系數(shù)和穩(wěn)定性等性能，產(chǎn)品加工完成后，先后進(jìn)行了高塔投放和低速風(fēng)洞等初步性能試驗(yàn)。

4.1 高塔投放試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)方法

采用110m高塔進(jìn)行投放，投放高度80.4m，投放角度90°，投放速度8.4m/s。配重質(zhì)量為5.0kg。高塔投放試驗(yàn)只進(jìn)行了I型傘和II型傘的投放。具體試驗(yàn)情況見圖3。

圖3 兩種盤縫帶傘高塔投放試驗(yàn)

試驗(yàn)通過秒表記錄物-傘系統(tǒng)的落地時(shí)間，利用彈道計(jì)算可以得到盤縫帶傘的阻力面積，再通過公式（1）計(jì)算可以初步得到盤縫帶傘的阻力系數(shù)

式中 CD為阻力系數(shù)；A0名義面積；AC為阻力面積。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

I型傘的落地時(shí)間為10.0s，II型傘的落地時(shí)間為9.1s，經(jīng)過彈道計(jì)算得到I型傘和II型傘的阻力系數(shù)分別為0.63和0.53。I型傘擺動(dòng)角度較?。ǎ?0°），II型傘幾乎不擺動(dòng)。

4.2 低速風(fēng)洞試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)方法

由于受試驗(yàn)條件的限制，只對(duì)4種盤縫帶傘進(jìn)行了低速靜態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)是在8m×6m的直流式低速風(fēng)洞中進(jìn)行，采用叉形單支桿支撐，風(fēng)速范圍30m/s～70m/s。具體試驗(yàn)情況見圖4。

圖4 4種盤縫帶傘風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)通過測(cè)量直接得到的數(shù)據(jù)是載荷和動(dòng)壓，通過公式（1）和公式（2）的計(jì)算可以得到盤縫帶傘的阻力系數(shù)

式中 F為載荷；q為動(dòng)壓。

盤縫帶傘的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)情況可通過視頻測(cè)量得到。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

4種盤縫帶傘在30m/s～70m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的阻力系數(shù)約為0.37～0.65。I型傘的阻力系數(shù)最大（0.61～0.65），III型傘、II型傘的次之，IV型傘的較小（0.37～0.41）。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3～表6。

表3 I型傘的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

表4 II型傘的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

表5 III型傘的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

表6 IV型傘的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

從4種盤縫帶傘的擺動(dòng)角來看，IV型傘的穩(wěn)定性最好（擺角小于5°），II型、III型傘的次之，I型傘的略差（擺角在15°左右）。II、IV型傘基本不旋轉(zhuǎn)，III型傘不大于10r/min，I型傘不大于15r/min。

4.3 試驗(yàn)分析及結(jié)論

通過上述試驗(yàn)結(jié)果來看，I型傘的阻力系數(shù)最大，但穩(wěn)定性略差；IV型傘的阻力系數(shù)最小，但穩(wěn)定性最好；II型傘和III型傘的阻力系數(shù)居中，穩(wěn)定性也可以接受。由此可以推斷出帶寬比、織物透氣量大的盤縫帶傘穩(wěn)定性好，但阻力系數(shù)較?。环粗?，帶寬比、織物透氣量小的盤縫帶傘阻力系數(shù)大，但穩(wěn)定性較差。

5 結(jié)束語

通過對(duì)盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地球環(huán)境下初步性能試驗(yàn)的研究表明，在低速條件下其阻力系數(shù)和穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾的統(tǒng)一體。對(duì)于火星用降落傘來說，可以在確定阻力和穩(wěn)定性兩個(gè)要求的條件下，判斷誰占主導(dǎo)地位，再通過調(diào)整傘衣帶寬比和選取不同織物透氣量的傘衣材料來獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

由于火星降落傘通常是在低密度、超音速的條件下展開、充氣和減速，因此對(duì)于盤縫帶傘在稀薄大氣條件下的阻力系數(shù)和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步深入研究，才能達(dá)到實(shí)用的目的。

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