“神舟八號”飛船主傘的改進(jìn)設(shè)計與試驗(yàn)

李 健 唐明章

（北京空間機(jī)電研究所，北京100076）

1 引言

“神舟號”飛船主傘從1993年開始研制，經(jīng)過持續(xù)改進(jìn)，可靠性不斷增長，已經(jīng)成功完成“神舟五號”至“神舟七號”三艘載人飛船的回收任務(wù)。但是在長期使用中發(fā)現(xiàn)，主傘經(jīng)常出現(xiàn)少量的局部破損，雖然破損面積不到主傘面積的1%，并不影響主傘的功能和性能，但從載人航天對可靠性的高要求考慮，還是對“神舟八號”主傘進(jìn)行了局部的改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)的目的是減少主傘的局部破損，提高主傘的可靠性。改進(jìn)的主要措施是增加了傘衣保護(hù)布和牽頂傘。改進(jìn)后的主傘經(jīng)過了數(shù)十次的地面試驗(yàn)和空投試驗(yàn)的驗(yàn)證，主傘破損比改進(jìn)前減少了約70%，達(dá)到了改進(jìn)目的。

本文介紹“神舟八號”飛船主傘改進(jìn)的設(shè)計與試驗(yàn)工作。

“神舟號”飛船主傘的功能是，在飛船正常返回、應(yīng)急返回、逃逸救生等多種情況下，在減速傘將主傘從主傘艙中拉出后，利用氣動阻力，穩(wěn)定返回艙的姿態(tài)，降低返回艙的下降速度，為著陸反推裝置對返回艙進(jìn)一步減速創(chuàng)造必要條件。

“神舟號”飛船主傘傘型是環(huán)帆傘。環(huán)帆傘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由很多傘衣片拼接而成，每片傘衣的形狀像一個獨(dú)立的風(fēng)帆，傘衣片與傘衣片之間形成梯形或月牙形的縫隙。環(huán)帆傘的性能特點(diǎn)是充氣性能好，開傘動載小，阻力系數(shù)大，穩(wěn)定性好，抗損傷能力強(qiáng)。因?yàn)榄h(huán)帆傘有這些優(yōu)秀性能，所以廣泛用作航天器的回收主傘。

“神舟號”飛船主傘的名義面積為1 200m2，是目前國內(nèi)面積最大的單體降落傘。主傘的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

圖1 主傘結(jié)構(gòu)示意圖

2 主傘的改進(jìn)設(shè)計

2.1 改進(jìn)的原因

“神舟號”飛船主傘從1993年開始研制，經(jīng)過了大量的地面試驗(yàn)和空投試驗(yàn)驗(yàn)證，并歷經(jīng)多次改進(jìn)，技術(shù)狀態(tài)逐漸固化，可靠性逐步增長，已經(jīng)成功完成“神舟五號”至“神舟七號”三艘載人飛船的回收任務(wù)。

雖然“神舟號”飛船主傘已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是在使用中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)傘衣有一些局部破損，表現(xiàn)為少量傘衣有摩擦熔燙痕跡，小洞，甚至個別傘衣撕裂，損傷面積小于傘衣總面積的1%。圖2和圖3所示為典型的傘衣破損型式。

圖2 熔洞、燙痕

圖3 傘衣幅撕裂

雖然主傘的局部破損不影響主傘的功能和性能，但考慮到載人航天對可靠性的高要求，有必要進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 改進(jìn)方案

“神舟八號”主傘改進(jìn)的目的是減少主傘的局部破損，提高主傘的可靠性。

改進(jìn)的原則是，在達(dá)到改進(jìn)目的的前提下，盡量少增加質(zhì)量，盡量少改變“神舟七號”主傘的技術(shù)狀態(tài)，不改變主傘與其它產(chǎn)品的接口關(guān)系，不改變傘包的形狀。

經(jīng)過反復(fù)分析論證，判定主傘傘衣局部破損產(chǎn)生的原因是：在開傘過程（拉直和充氣過程）中，傘衣摩擦和抽打造成了傘衣的初始損傷，然后在充氣氣流的作用下，受傷的部位進(jìn)一步破壞。

傘衣在傘包中包裝時采用了壓力包裝，包裝密度約為0.5kg/m3，大致與松木的密度相當(dāng)。主傘傘繩和傘衣順序從傘包中拉出成直線的過程叫做拉直過程。傘衣拉直過程的末段，傘衣與傘包之間的相對速度大約是70m/s。傘衣材料為錦綸，熔點(diǎn)為220℃～260℃。從包裝非常緊密的傘包中高速拉出傘衣，傘衣與傘衣之間因摩擦生熱，引起了材料局部熔燙損傷。

傘衣拉直之后，第一股空氣團(tuán)開始從傘衣底部給傘衣充氣，并迅速的向傘頂推進(jìn)，在空氣團(tuán)推進(jìn)過程中，傘衣頂部會在周圍氣流的作用下迅速甩動，嚴(yán)重的情況會形成魚鉤的樣子，自己抽打自己，這種抽打很容易造成傘衣的損傷。

為了減少傘衣的摩擦損傷，可以采用兩種方法。一種方法是從提高傘衣自身的耐摩擦損傷的角度著手，更換傘衣材料，或者在現(xiàn)有材料上涂覆新型防灼劑。采用這種方法，對主傘的技術(shù)狀態(tài)改動較大，主傘質(zhì)量增加較多，以往各項(xiàng)試驗(yàn)的可靠性數(shù)據(jù)難以繼續(xù)使用，需要重新進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，技術(shù)風(fēng)險較大。第二種方法是從防止傘衣材料之間摩擦的角度著手，采取的措施是在傘衣外包裹一塊保護(hù)布。這塊保護(hù)布縫在傘衣某根徑向帶上。在包傘時，用這塊布將折疊好的傘衣裹起來，然后用縫線將保護(hù)布邊緣縫在一起，形成一個圓筒的樣子。這樣，在包傘時，上下部的傘衣被保護(hù)布隔離，不能直接接觸。在傘衣拉出傘包的過程中，理論上只有保護(hù)布自身在高速摩擦，避免了傘衣之間的直接摩擦。在傘衣充氣過程中，保護(hù)布邊緣的縫線崩斷，不影響傘衣正常充氣。因?yàn)閭阋卤Ｗo(hù)布有依靠自身摩擦避免傘衣摩擦的工作特點(diǎn)，所以它又叫犧牲片。采用傘衣保護(hù)布的方法，對主傘的改動很小，質(zhì)量增加不多，以往的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繼續(xù)使用，僅需做少量的驗(yàn)證試驗(yàn)，技術(shù)風(fēng)險小，所以經(jīng)分析比較后，決定采用第二種方法，即在傘衣外包裹傘衣保護(hù)布。

為了抑制傘衣頂部的抽打，可以給傘頂施加一個牽引力，限制傘頂運(yùn)動，使傘頂不能抽打到下部的傘衣。牽引力的提供可以采用兩種方法。一種方法是采用撕裂帶，撕裂帶是兩根縫制在一起的帶子，其中一根帶子與傘包相連，一根帶子與傘頂相連。在主傘初始充氣階段，受到分離的傘包與傘衣的力的作用，撕裂帶間縫合部的縫線依次拉斷，在傘衣頂部維持了一定的牽引力。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但質(zhì)量增加較多[1]。第二種方法是在主傘頂連接一頂牽頂傘，依靠牽頂傘的氣動阻力，給主傘頂提供一定的牽引力。這種方法結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，但質(zhì)量增加較少。這兩種方法都不需要對主傘進(jìn)行改動。經(jīng)綜合分析論證，決定采用牽頂傘方案。

2.2.1 傘衣保護(hù)布設(shè)計

傘衣保護(hù)布是一塊綢布，縫制在傘衣的某根徑向帶上。當(dāng)傘衣在包傘臺桌上折疊好后，用這塊保護(hù)布將折疊好的傘衣包裹起來，然后用縫線將保護(hù)布縫合，之后才將傘衣裝填入傘包[2-3]。圖4所示為傘衣保護(hù)布在傘衣上的安裝簡圖。

圖4 傘衣保護(hù)布簡圖

圖5 傘衣保護(hù)布包裹與縫合簡圖

傘衣保護(hù)布的主要設(shè)計參數(shù)有保護(hù)布的長度、寬度及縫合方法。

從防止摩擦的角度考慮，傘衣保護(hù)布越長，受保護(hù)的傘衣就越多。從歷次空投試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)結(jié)果看，傘衣下部很少出現(xiàn)摩擦損傷，從減輕質(zhì)量與實(shí)際需要的角度看，傘衣保護(hù)布不必包裹傘衣的全長。綜合考慮后，取保護(hù)布的長度為10m，這樣能夠包裹住一半長度的傘衣。

傘衣保護(hù)布的寬度根據(jù)實(shí)際測量折疊好的傘衣的周長得到，為便于最后的縫紉，做適當(dāng)?shù)姆艑挕?/p>

傘衣保護(hù)布最后包裹傘衣后，用縫線將邊緣縫合，形成一個管狀?？p合的方式為隔一段長度縫紉一段，最好不要連續(xù)縫紉。試驗(yàn)表明，在開傘過程中，連續(xù)縫紉的縫線會堆積在一起，增加了保護(hù)布縫線破壞的難度，縫線不易被破壞，保護(hù)布存在不能打開的可能，保護(hù)布打不開，傘衣就不能正常充氣，反而會引起傘衣的大面積損傷。圖5所示為傘衣保護(hù)布包裹傘衣與縫紉簡圖。

2.2.2 牽頂傘設(shè)計

牽頂傘的主要設(shè)計參數(shù)有面積、傘型、連接帶型式。

牽頂傘面積的大小由其所需要提供的牽引力的大小決定。因?yàn)闋宽攤愕闹饕饔檬窃谥鱾愠跏汲錃獾拇蟛糠謺r間內(nèi)都要保證對主傘頂部施加足夠的牽引力，防止主傘頂部產(chǎn)生回彈，所以考慮牽頂傘的牽引力只要能夠達(dá)到主傘自身質(zhì)量的2倍左右，就應(yīng)該能夠達(dá)到設(shè)計目的[4]。

由于主傘的預(yù)充氣時間很短，所以在牽頂傘傘型的選擇上，就要求充氣迅速，為了使主傘得到理想的充氣形狀，牽頂傘還應(yīng)當(dāng)具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，在方案階段選取了三種傘型，分別是無肋導(dǎo)向面?zhèn)?、十字傘和改進(jìn)十字傘。這三種傘型充氣都比較快，都有比較好的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步優(yōu)化穩(wěn)定性，每種傘型又選擇了兩種透氣量的傘衣材料，這樣共有6種狀態(tài)的牽頂傘。對這6種狀態(tài)的牽頂傘進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，對比后發(fā)現(xiàn)，低透氣量的無肋導(dǎo)向面?zhèn)愕姆€(wěn)定性和充氣性俱佳，因此將這種狀態(tài)的傘型選為牽頂傘的最終方案。

牽頂傘與主傘頂部之間的連接帶要有足夠的長度，保證在主傘的初始充氣的大部分時間內(nèi)，牽頂傘位于主傘尾流區(qū)以外。因?yàn)檫B接帶長度較長，連接帶及牽頂傘從傘包拉出的時間就較長，在這段時間內(nèi)，牽頂傘還沒有充氣，還不能提供有效的牽引力，為了在這段時間仍能對主傘頂部施加牽引力，連接帶設(shè)計成了剝離帶的結(jié)構(gòu)型式。

2.2.3 改進(jìn)后的主傘工作過程

改進(jìn)后的主傘組件的工作過程見圖6所示。

3 改進(jìn)試驗(yàn)

3.1 傘衣保護(hù)布試驗(yàn)

傘衣保護(hù)布在研制過程中，共進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)、塔架投放試驗(yàn)和試包試驗(yàn)3項(xiàng)地面試驗(yàn)。

1）風(fēng)洞試驗(yàn)。傘衣保護(hù)布風(fēng)洞試驗(yàn)的目的是觀察保護(hù)布縫合部的解除過程。試驗(yàn)中對多種縫合形式的保護(hù)布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)縫紉的縫合部不能可靠保證保護(hù)布的順利打開，必須采用隔一段縫紉一段的結(jié)構(gòu)型式[5]。

2）塔架投放試驗(yàn)。塔架投放試驗(yàn)的目的是進(jìn)一步驗(yàn)證保護(hù)布的工作可靠性。將一頂縮比的主傘吊掛在高100m的塔架上，試驗(yàn)傘下掛配重，配重自由落體后，牽引試驗(yàn)傘完成開傘程序。在試驗(yàn)過程中，觀察傘衣保護(hù)布的工作性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用隔一段縫紉一段的結(jié)構(gòu)形式，傘衣保護(hù)布能夠可靠打開。

3）試包試驗(yàn)。試包試驗(yàn)的目的是研究傘衣保護(hù)布的縫合部在主傘壓力包裝過程中是否會意外斷裂。反復(fù)對一頂主傘進(jìn)行包傘，觀察保護(hù)布縫合部的破壞情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力包裝過程中，絕大部分的保護(hù)布縫合部完好，個別縫合部會出現(xiàn)斷裂，斷裂是在傘衣填實(shí)過程和加壓過程中產(chǎn)生的。保護(hù)布的個別縫合部斷裂，不影響保護(hù)布的功能和性能。

3.2 牽頂傘試驗(yàn)

牽頂傘在研制過程中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)、地面汽車拖曳試驗(yàn)、塔架投放試驗(yàn)和主傘地面彈射試驗(yàn)。

3.2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)有兩類，一類是靜態(tài)的牽頂傘選型試驗(yàn)，一類是動態(tài)的開傘試驗(yàn)。

牽頂傘的選型試驗(yàn)對象為6種狀態(tài)的備選牽頂傘，試驗(yàn)在不同風(fēng)速下進(jìn)行，測量了牽頂傘的阻力系數(shù)，觀察了穩(wěn)定性。綜合比較后判斷，低透氣量的無肋導(dǎo)向面?zhèn)愕姆€(wěn)定性和充氣性俱佳，選為最終傘型。圖7所示為風(fēng)洞試驗(yàn)中的無肋導(dǎo)向面?zhèn)恪?/p>

圖7 無肋導(dǎo)向面?zhèn)阍陲L(fēng)洞試驗(yàn)中

牽頂傘在真實(shí)狀態(tài)下開傘時是處在主傘后部，為驗(yàn)證有前體干擾情況下，牽頂傘的開傘性能，進(jìn)行了牽頂傘動態(tài)開傘試驗(yàn)。試驗(yàn)中研究了牽頂傘距前體距離對牽頂傘的開傘性能的影響，最終確定了連接帶的長度。

3.2.2 地面汽車拖曳試驗(yàn)

牽頂傘連接帶采用了剝離帶的結(jié)構(gòu)形式。地面汽車拖曳試驗(yàn)用汽車的牽引力將剝離帶的縫合部剝離，測量了剝離力的大小，驗(yàn)證了連接帶能夠按照設(shè)計程序順利剝開。圖8所示為汽車拖曳試驗(yàn)示意圖。

圖8 汽車拖曳試驗(yàn)示意圖

3.2.3塔架投放試驗(yàn)

塔架投放試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證牽頂傘的開傘程序的可行性。將試驗(yàn)用的牽頂傘吊掛在高100m的塔架上，牽頂傘下掛配重，配重自由落體后，迫使?fàn)宽攤阃瓿砷_傘程序。試驗(yàn)結(jié)果表明牽頂傘開傘程序正常。圖9所示為牽頂傘塔架投放試驗(yàn)示意圖。

圖9 牽頂傘塔架投放試驗(yàn)示意圖

3.2.4 主傘地面彈射試驗(yàn)

主傘地面彈射試驗(yàn)的目的是綜合驗(yàn)證各種改進(jìn)措施之間是否有不良干擾。試驗(yàn)時，通過火工彈射的方法，給配重50m/s的初始速度，配重牽引主傘迅速完成主傘拉直及牽頂傘開傘過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)改進(jìn)措施匹配良好，相互間沒有不良干擾。圖10所示為試驗(yàn)配重剛剛彈射的瞬間。

圖10 彈射瞬間

3.3 空投試驗(yàn)

地面試驗(yàn)后，改進(jìn)后的主傘參加了30余次的空投試驗(yàn)，全面驗(yàn)證了主傘的改進(jìn)效果?？胀对囼?yàn)時，將返回艙模型從運(yùn)輸機(jī)上空投，按照預(yù)定程序完成各級降落傘的開傘。試驗(yàn)結(jié)果表明，牽頂傘和傘衣保護(hù)布的改進(jìn)效果明顯，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 改進(jìn)效果

4.1 綜合改進(jìn)效果

空投試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的主傘的破損得到了明顯的減少（比改進(jìn)前減少70%），各項(xiàng)改進(jìn)措施均沒有產(chǎn)生負(fù)面影響，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計目的。

4.2 增加牽頂傘的效果

圖11所示為改進(jìn)前后主傘的開傘過程對比圖。從圖中看出，改進(jìn)前，主傘在預(yù)充氣過程中，傘頂會出現(xiàn)魚鉤狀的甩動，改進(jìn)后，傘衣上部的運(yùn)動受到牽頂傘的制約，傘頂沒有出現(xiàn)勾狀甩動，牽頂傘的使用達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計目的。

4.3 增加傘衣保護(hù)布的效果

空投試驗(yàn)表明，保護(hù)布的存在，對減少傘衣頂部傘衣與下部傘衣、傘衣與傘包之間摩擦起到了有效保護(hù)作用，回收后的主傘頂部的摩擦痕跡明顯減少，傘衣保護(hù)布的使用達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計目的。

圖 11 改進(jìn)前主傘（左）與改進(jìn)后主傘（右）開傘過程對比

5 結(jié)束語

“神舟八號”飛船主傘基本繼承了“神舟七號”主傘的技術(shù)狀態(tài)，為減少主傘破損，進(jìn)行了局部改進(jìn)，主要措施是增加了傘衣保護(hù)布和牽頂傘。改進(jìn)方案經(jīng)過了充分論證，改進(jìn)措施也經(jīng)過了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，主傘傘衣的局部破損得到了顯著減少，主傘的可靠性得到了提高，達(dá)到了預(yù)期目的。

[1]李健，王立武.傘頂控制帶的設(shè)計、試驗(yàn)與應(yīng)用[J].航天返回與遙感，2010，31（2）：10-15.

[2]TheoW K.Parachute Recovery Systems Design Manual[R].AD-A247 666.

[3]Phillip R D.Evolution of The Ringsail Parachute[R].AIAA，A99-30927.

[4]林斌.牽頂傘設(shè)計分析[C].中國宇航學(xué)會返回與再入專業(yè)學(xué)術(shù)交流會論文集，2006.

[5]唐明章，李健.傘衣保護(hù)布風(fēng)洞試驗(yàn)研究[C].中國空間技術(shù)研究院科技委返回與回收專業(yè)組2007年研討會論文集，2007.