空間站制品載荷返回技術(shù)研究

王永濱 盧齊躍 賈賀 呂智慧

（北京空間機(jī)電研究所，北京 1 00076）

1 引言

俄羅斯“和平號(hào)”空間站上先后有27個(gè)國(guó)家參加了科學(xué)實(shí)驗(yàn)，截止至該空間站墜毀，其共進(jìn)行了1.65×104項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成了23項(xiàng)國(guó)際科學(xué)考察，產(chǎn)生了大量的具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值的空間制品。但是，由于其天地往返，尤其是空間制品的下行能力偏低，曾導(dǎo)致空間站內(nèi)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品嚴(yán)重積壓，使得大量空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果不能及時(shí)返回地面?！皣?guó)際空間站”也面臨著同樣的需求，在航天飛機(jī)退役以后，空間站的下行能力嚴(yán)重不足，只能靠“聯(lián)盟-TMA”載人飛船勉強(qiáng)維持。因此，目前美國(guó)、歐洲和日本都在積極開(kāi)展空間站制品返回技術(shù)的研究，其中歐洲和日本正在初步開(kāi)展隨貨運(yùn)飛船上下行的小型空間制品返回系統(tǒng)的研制，并計(jì)劃在2015年前后實(shí)現(xiàn)空間站制品的返回[1-3]。

我國(guó)載人空間站工程已正式啟動(dòng)實(shí)施，2020年前后將建成規(guī)模較大，長(zhǎng)期有人參與的國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室。后續(xù)在空間應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生大量的有效載荷需要返回地面，對(duì)載荷下行系統(tǒng)提出了較高的要求。從國(guó)外空間站的正常運(yùn)行與應(yīng)用發(fā)展方面看，空間制品的及時(shí)下行運(yùn)輸系統(tǒng)是空間站應(yīng)用系統(tǒng)必不可少的支持系統(tǒng)，是空間站工程的重要組成部分。因此，開(kāi)展空間制品載荷返回技術(shù)研究，發(fā)展高效靈活、及時(shí)便捷的空間制品返回系統(tǒng)是非常必要的，對(duì)后續(xù)空間站和空間科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，是對(duì)空間站工程的重要技術(shù)支持。

2 國(guó)內(nèi)外研究狀況

目前能夠?qū)崿F(xiàn)空間制品返回地面的技術(shù)途徑主要包括航天飛機(jī)、載人飛船和貨運(yùn)飛船。

航天飛機(jī)具備能夠?qū)⒋罅靠臻g制品有效載荷返回地面的能力，但是由于其造價(jià)高、成本高、系統(tǒng)復(fù)雜的更多種因素，航天飛機(jī)于2011年退役。

載人飛船具備將航天員安全返回地面的能力，同時(shí)其自身還具備一定的運(yùn)載空間制品有效載荷的能力。受空間和質(zhì)量的限制，載人飛船每次能夠運(yùn)送的載荷有限。

貨運(yùn)飛船完成對(duì)載荷的上行任務(wù)后，需要墜毀在預(yù)定地點(diǎn)，其墜毀的過(guò)程是受控的，故可利用貨運(yùn)飛船再入過(guò)程進(jìn)行制品的返回。其方案一般是在貨運(yùn)飛船上固定一個(gè)可以返回的小型返回艙，利用該返回艙可實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的下行。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于空間制品的返回基本上是基于貨運(yùn)飛船進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 俄羅斯研究狀況

20世紀(jì)70年代的“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船只完成將貨物和推進(jìn)劑運(yùn)送到空間站的上行運(yùn)輸任務(wù)，不能把空間站的貨物運(yùn)送回地面。隨著空間站的發(fā)展，俄羅斯在“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船安裝“彩虹號(hào)”返回艙，提供返回能力?！安屎缣?hào)”是由彩虹設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)，“彩虹號(hào)”能攜帶約150kg固體貨物（如拍攝過(guò)的膠片、數(shù)據(jù)磁帶、加熱爐樣本以及其它物品），總質(zhì)量為350kg（含150kg的返回載荷），共占用200kg的發(fā)射運(yùn)載能力。

從1990年9月到1994年5月，“彩虹號(hào)”回收艙隨著“進(jìn)步號(hào)”共飛行了10次，平均每年約2～3次，除第一次試驗(yàn)時(shí)再入過(guò)程中回收艙丟失外，其余9次試驗(yàn)均順利完成空間制品的回收任務(wù)。圖1所示為“彩虹號(hào)”外形結(jié)構(gòu)圖。“彩虹號(hào)”是目前唯一成功實(shí)現(xiàn)從空間站下載載荷的小型返回艙（不包含載人飛船和航天飛機(jī)）。[4-5]

圖1 “彩虹號(hào)”外形圖Fig.1 Theoutlinedrawing of"Rainbow"

2.2 歐洲研究狀況

由于目前空間制品載荷回收具有重要意義，歐洲多個(gè)國(guó)家都在積極開(kāi)展相關(guān)項(xiàng)目研究。載荷返回系統(tǒng)（Payload Return System,PARES）是一種小型的可展開(kāi)回收艙，由自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器 （Automated Transfer Vehicle,ATV）或其他貨運(yùn)飛船運(yùn)送到國(guó)際空間站，存放在國(guó)際空間站甲板上或者貨運(yùn)飛船內(nèi)，攜帶數(shù)百千克下行制品載荷，利用貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)離軌和再入。圖2是PARES安裝和展開(kāi)狀態(tài)的示意圖[6]。

圖 2“PARES”示意圖Fig.2 Diagram of“PARES”

2.3 日本研究狀況

日本航天局從2004年開(kāi)始對(duì)貨物轉(zhuǎn)移飛行器（H-ⅡTransfer Vehicle,HTV）貨運(yùn)飛船的樣本返回系統(tǒng)進(jìn)行了概念研究。當(dāng)貨運(yùn)飛船從國(guó)際空間站分離時(shí)，回收的載荷主要包括實(shí)驗(yàn)樣本、微重力實(shí)驗(yàn)結(jié)果、生命科學(xué)和空間材料實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。其主要采用一個(gè)放置于貨運(yùn)飛船內(nèi)部的小型返回艙，實(shí)現(xiàn)將空間站的有效載荷下行。圖3所示為貨運(yùn)飛船上的航天員對(duì)制品返回器的搬運(yùn)操作過(guò)程[7]。

圖3 HTV中航天員的操作過(guò)程Fig.3 Operation processof astronaut in HTV

2.4 國(guó)內(nèi)研究狀況

目前國(guó)內(nèi)貨運(yùn)飛船正在研制中，基于貨運(yùn)飛船進(jìn)行制品返回的技術(shù)正處于論證階段。另外國(guó)防科技大學(xué)提出基于空間站充氣式下載系統(tǒng)的概念，正在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。北京空間機(jī)電研究所進(jìn)行了充氣式阻尼結(jié)構(gòu)的研究，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于充氣式下載系統(tǒng)。目前已完成了該結(jié)構(gòu)的原理樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了高塔投放試驗(yàn)。

3 空間制品返回方案概述

本文主要針對(duì)基于貨運(yùn)飛船的空間制品返回技術(shù)進(jìn)行論述。目前國(guó)外研究主要采用一個(gè)可以返回的小型無(wú)動(dòng)力返回艙，由航天員將空間制品裝載至返回艙內(nèi)，這個(gè)小型返回艙安裝在貨運(yùn)飛船的對(duì)接口位置。在貨運(yùn)飛船有控墜毀的過(guò)程中，在適當(dāng)時(shí)機(jī)將返回艙拋出，返回艙以彈道式再入的形式進(jìn)行大氣，后續(xù)采用氣動(dòng)減速的形式將速度減少到安全著陸的程度。以下針對(duì)國(guó)外研究的不同的返回方案分別進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 不可展開(kāi)艙體方案

不可展開(kāi)艙體方案是指返回艙從貨運(yùn)飛船彈射出去后外形保持不變，最終艙體通過(guò)自身氣動(dòng)外形和降落傘裝置實(shí)現(xiàn)減速著陸。

航天員完成對(duì)載荷的裝載任務(wù)后，將艙體固定在貨運(yùn)飛船艙門(mén)位置，當(dāng)貨運(yùn)飛船運(yùn)行到預(yù)定軌道高度時(shí)將制品返回器以一定的線速度和角速度彈射出。制品返回器依靠自身的氣動(dòng)外形進(jìn)行減速，當(dāng)減速到適宜速度時(shí)采用降落傘減速，最終完成對(duì)載荷的回收任務(wù)。

目前成功完成對(duì)載荷回收的小型返回艙，如“彩虹號(hào)”返回艙就是采用的這種方式。該方法具備結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、對(duì)于防熱要求較低、氣動(dòng)特性穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)展開(kāi)式艙體方案

與不可展開(kāi)艙體方案不同的是，結(jié)構(gòu)展開(kāi)式艙體方案具備改變自身氣動(dòng)外形的展開(kāi)裝置，最終艙體通過(guò)展開(kāi)后的氣動(dòng)外形和降落傘裝置實(shí)現(xiàn)減速著陸。

當(dāng)艙體離開(kāi)貨運(yùn)飛船后，依靠自身的展開(kāi)裝置，可將自身的阻力面積增大，最終起到氣動(dòng)減速的效果。采用結(jié)構(gòu)可展開(kāi)式艙體可以有效利用貨運(yùn)飛船艙口的尺寸空間，有效的增加載荷的裝載量。目前PARES采用的展開(kāi)方案之一就是這種方案。如圖4所示為一種典型的結(jié)構(gòu)可展開(kāi)式艙體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在展開(kāi)后，由24片防熱瓣共同組成一個(gè)減速裙面。該方案具備系統(tǒng)減速性能好、開(kāi)傘速度低、防熱特性可控、裝載有效載荷質(zhì)量大的優(yōu)點(diǎn)[8]。

圖4 結(jié)構(gòu)可展開(kāi)式艙體方案Fig.4 Scheme of structural deployable cabin

3.3 充氣展開(kāi)式艙體方案

與不可展開(kāi)艙體方案不同的是，充氣展開(kāi)式艙體方案通過(guò)充氣裝置改變自身氣動(dòng)外形，從而實(shí)現(xiàn)有效氣動(dòng)減速。相對(duì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)式艙體方案，充氣展開(kāi)式艙體最終采用充氣式展開(kāi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣動(dòng)減速，而不需要降落傘裝置。

如圖5所示為充氣可展開(kāi)式艙體方案。當(dāng)艙體離開(kāi)貨運(yùn)飛船后，充氣打開(kāi)主減速模塊，主減速模塊形成倒錐形的防熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)該防熱結(jié)構(gòu)可以保護(hù)艙內(nèi)的有效載荷。當(dāng)艙體減速至亞聲速時(shí)打開(kāi)第二級(jí)減速模塊，該模塊可達(dá)到傳統(tǒng)降落傘減速效果，最終實(shí)現(xiàn)攜帶有效載荷的艙體著陸。該方案具備系統(tǒng)減速性能好、返回過(guò)程工作程序少、裝載有效載荷質(zhì)量大、系統(tǒng)集成度高的優(yōu)點(diǎn)[9-11]。

圖5 充氣可展開(kāi)式艙體方案Fig.5 Schemeof inflatablecabin

3.4 方案比較

通過(guò)之前對(duì)幾種方案的概述，對(duì)上述三種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 三種方案特點(diǎn)對(duì)比Tab. 1 Comparison between three schemes

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

通過(guò)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析及對(duì)比，可初步考慮結(jié)合貨運(yùn)飛船或者空間站進(jìn)行載荷的下行。即通過(guò)貨運(yùn)飛船或者空間站將一個(gè)攜帶有制品載荷的艙體（以下簡(jiǎn)稱制品返回器）彈射，該艙體采用有控或無(wú)控的方式返回。最終采用自身氣動(dòng)外形及其降落傘等減速方式進(jìn)行減速，從而實(shí)現(xiàn)空間制品有效載荷的無(wú)損回收。制品返回器的整個(gè)飛行過(guò)程要經(jīng)受?chē)?yán)酷的再入環(huán)境，其內(nèi)部的有效載荷具有較高的環(huán)境條件要求。以下對(duì)涉及制品返回器的關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 制品返回器分離技術(shù)

制品返回器的分離技術(shù)指將制品返回器從初始位置精確移動(dòng)至待彈射位置，使制品返回器在待彈射位置穩(wěn)妥固定，又能將制品返回器準(zhǔn)確彈射出貨運(yùn)飛船或者空間站。由于該環(huán)節(jié)涉及到航天員的操作，故對(duì)航天員提出了較高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)制品返回器的有效分離，可參考現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)，如空間站交會(huì)對(duì)接技術(shù)、艙段分離技術(shù)、衛(wèi)星分離技術(shù)等。另外在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合貨運(yùn)飛船或者空間站的具體結(jié)構(gòu)及能源供給方式進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4.2 氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

制品返回器氣動(dòng)外型決定著制品返回器的返回軌道設(shè)計(jì)和防熱設(shè)計(jì)，是保證制品返回器準(zhǔn)確安全返回的關(guān)鍵。需要對(duì)制品返回器進(jìn)行氣動(dòng)力特性的流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic,CFD)研究及風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取氣動(dòng)特性參數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能，最終完成選型。氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)可借鑒參考目前現(xiàn)有設(shè)計(jì)，如載人飛船、返回式衛(wèi)星、再入彈頭等。

4.3 回收設(shè)計(jì)

制品返回器工作的最終目標(biāo)是安全獲取下行載荷，制品返回器的安全回收是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。受貨運(yùn)飛船或者空間站艙體尺寸限制，制品返回器的外形長(zhǎng)細(xì)比較大，這將會(huì)導(dǎo)致開(kāi)傘面臨較大的困難，使回收的工作難度增大。針對(duì)該問(wèn)題，需要對(duì)回收設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)傘點(diǎn)、降落傘設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布局等方面工作，降低回收難度。

4.4 制品返回器質(zhì)心配置技術(shù)

由于空間制品存在多樣性，即其狀態(tài)可能是固體或者液體，其形態(tài)可能是長(zhǎng)方體或者圓柱體，裝載于制品返回器中的質(zhì)心存在較大的不確定性，這可能會(huì)導(dǎo)致每次飛行任務(wù)的質(zhì)心有所不同。制品返回器的質(zhì)心偏差對(duì)返回彈道及落點(diǎn)精度都有著重要的影響，需要在系統(tǒng)布局、設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制。在設(shè)計(jì)的前期需要對(duì)質(zhì)心偏差可能造成的影響進(jìn)行論證和評(píng)估。

解決制品返回器的質(zhì)心配置有兩種解決思路。其一是在地面環(huán)境下計(jì)算出按照一定的裝配順序產(chǎn)生的質(zhì)心，這樣可以對(duì)返回彈道及落點(diǎn)精度提供一個(gè)預(yù)計(jì)。另外一種方案是實(shí)現(xiàn)在空間環(huán)境下的質(zhì)心配置，此法可以解決由于突發(fā)情況等導(dǎo)致的不能按照預(yù)定順序裝配產(chǎn)生的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)空間站制品返回技術(shù)研究狀況進(jìn)行了說(shuō)明，通過(guò)對(duì)多種可行方案進(jìn)行了論述并明確了各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后本文對(duì)空間制品返回方案進(jìn)行了分析，并結(jié)合該方案對(duì)存在的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)提出了解決思路。通過(guò)本文的論述，指出了結(jié)合目前我國(guó)空間站計(jì)劃，實(shí)施對(duì)空間制品載荷下載的研究意義，同時(shí)為空間站制品的下行提供了相應(yīng)的技術(shù)解決途徑。

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