載人飛船利用返回艙反推發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)緩沖方案參數(shù)初步分析

郭 斌 ，左 光，程克明 ，陳 沖

（1南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京210016；2中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094）

1 引言

自2011年美國航天飛機(jī)退役以后，目前可以執(zhí)行天地往返任務(wù)的載人航天器只有俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)飛船和我國的神舟號(hào)飛船。為改變這一現(xiàn)狀，美、俄等國都在加緊研制新一代載人飛船預(yù)計(jì)在2018年前后具備飛行能力。世界各國升級(jí)換代后的新一代多用途飛船，在總體設(shè)計(jì)理念上發(fā)生轉(zhuǎn)變，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，擴(kuò)大任務(wù)覆蓋范圍，任務(wù)目標(biāo)以國際空間站和載人登月等任務(wù)為核心，覆蓋近地軌道和載人深空往返運(yùn)輸任務(wù)的需求；采用可重復(fù)使用設(shè)計(jì)理念，進(jìn)一步降低航天運(yùn)輸成本；此外進(jìn)一步增強(qiáng)了任務(wù)安全性、可靠性方面的設(shè)計(jì)；采用新型的反推發(fā)動(dòng)機(jī)著陸回收方案，可以大限度的實(shí)現(xiàn)著陸減速，提高飛船的可重復(fù)使用率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)飛船的定點(diǎn)著陸功能。

氣動(dòng)減速裝置作為回收著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其工作性能的可靠與否關(guān)系到整個(gè)航天器回收著陸的成敗。目前，使用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的地球再入氣動(dòng)減速裝置為降落傘系統(tǒng)。神舟號(hào)飛船和“聯(lián)盟”號(hào)飛船主要選用的氣動(dòng)減速裝置就是降落傘系統(tǒng)，并在著陸前1m高度點(diǎn)燃固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，旨在降低最終的著陸速度。降落傘用織物材料縫制而成，質(zhì)地柔軟，包裝后體積小，在空中展開后可以獲得比原包裝狀態(tài)大數(shù)百倍的阻力面積；同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減速高效、工作可靠和成本較低的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種返回式航天器。然而，深空探測(cè)任務(wù)的開展，載人飛船規(guī)模的不斷加大，返回艙再入返回的質(zhì)量越來越大。如果單純依靠降落傘減速，即便是群傘技術(shù)也面臨傘艙體積過大、傘衣材料強(qiáng)度要求提高、傘衣整體質(zhì)量增大、傘衣包裝難度加大和降落傘拉直技術(shù)難度增大等一系列問題。

本文借鑒國外在研載人飛船的研制方案，提出一種新型的減速方案，將反推發(fā)動(dòng)機(jī)與降落傘配合使用，以實(shí)現(xiàn)返回艙的有效制動(dòng)著陸。由于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置、點(diǎn)火高度等對(duì)其性能參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，[1][2]本文主要對(duì)載人飛船反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行反推減速這一方案進(jìn)行分析，估算反推發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)，初步驗(yàn)證其可行性，也為將來實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 國外新型載人飛船利用反推發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)著陸的可能性

2.1 Space X Dragon反推著陸方案設(shè)想

Dragon是美國空間探索技術(shù)公司（Space Exploration Technologies，Space X）為NASA商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）項(xiàng)目開發(fā)的可重復(fù)利用的新型載人飛船。

Dragon飛船后期將單獨(dú)配備逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)Super Draco，在飛行過程中不用拋掉，可用于發(fā)射段全過程的逃逸救生，從而進(jìn)一步提高飛船的安全性。未來Dragon的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)希望可以利用逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行著陸反推，并以此實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)著陸，如圖 1所示。Dragon飛船的這種設(shè)計(jì)體現(xiàn)了國外新一代飛船先進(jìn)的整體系統(tǒng)集成優(yōu)化的理念，（如圖2所示）代表了未來新一代飛船發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 Dragon飛船利用發(fā)動(dòng)機(jī)反推著陸

圖2 Dragon飛船優(yōu)化設(shè)計(jì)

Super Draco發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)射段逃逸救生而研發(fā)，目前已經(jīng)完成地面試車試驗(yàn)，如圖3所示。由于其推力可以進(jìn)行深度調(diào)節(jié)，因此完全具備執(zhí)行著陸反推的能力。表1給出了Super Draco［j2］發(fā)動(dòng)機(jī)的基本性能參數(shù)表。

圖3 Super Draco發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

2.2 PPTS反推著陸方案設(shè)想

PPTS載人飛船，是俄羅斯航天局提出設(shè)計(jì)的新一代航天飛船（如圖4所示），其在繼承聯(lián)盟飛船的基礎(chǔ)上引用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，其中重大改進(jìn)就是在著陸回收過程中采用了反推發(fā)動(dòng)機(jī)。

PPTS飛船提出的新著陸方式，是利用固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭輔助著陸作為航天器返回地球的一個(gè)主要方案，在回收著陸段使用反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速。具體方案也經(jīng)過了多次修改。在最初的設(shè)想中，PPTS飛船將完全依靠反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確著陸，具體步驟為先拋掉防熱大底，露出著陸發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和著陸腿，飛船在反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，使用著陸腿降落（如圖5所示）；在應(yīng)急狀態(tài)下拋掉反推發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的軟著陸裝置，減輕返回艙質(zhì)量后再使用小型降落傘實(shí)施著陸。這種方案的優(yōu)勢(shì)是既可以利用反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確著陸，也可以在反推發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)使用降落傘的應(yīng)急預(yù)案，增大了返回艙的安全可靠性。但之后的方案設(shè)計(jì)中PPTS飛船可能使用一個(gè)降落傘和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合的制動(dòng)著陸方案。

船載反推發(fā)動(dòng)機(jī)有可能使用清潔能源（酒精），但現(xiàn)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)依然被認(rèn)為是針對(duì)PPTS飛船制動(dòng)著陸系統(tǒng)最可行的方案。目前反推發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了多重噴管（multiple nozzles），以便實(shí)現(xiàn)降落過程中的變推力。噴管上的偏轉(zhuǎn)控制裝置可以實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)，同時(shí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)本身也保留了一個(gè)固定的方向。

圖4 PPTS設(shè)計(jì)概念圖

圖5 PPTS著陸緩沖火箭減速著陸

2.3 小結(jié)

上述兩種在研的載人飛船在著陸回收方面都提出了用自身動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)。其中，Space X公司的Dragon完全依靠反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，同時(shí)還兼具定點(diǎn)著陸的功能；PPTS在初期只考慮了反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，但在后期設(shè)計(jì)中提出了降落傘和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合的工作方案，并提出了當(dāng)反推發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作的緊急狀態(tài)下拋掉著陸推進(jìn)裝置的應(yīng)急預(yù)案。

總體來看，在回收著陸段利用自身動(dòng)力反推將彌補(bǔ)由于返回艙規(guī)模增大而帶來降落傘規(guī)模增大所引發(fā)的一系列問題，也為將來實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 傳統(tǒng)載人飛船利用反推發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)著陸的方案設(shè)想

3.1 方案設(shè)想

為了適應(yīng)深空探測(cè)及空間站運(yùn)營維護(hù)等后續(xù)任務(wù)，載人飛船規(guī)模會(huì)不斷加大。因此利用返回艙上的反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)緩沖是載人飛船發(fā)展趨勢(shì)之一。結(jié)合國外載人飛船的研制經(jīng)驗(yàn)，本文提出了在載人飛船返回艙上配置反推發(fā)動(dòng)機(jī)的方案設(shè)想。

目前來看，利用反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速著陸有以下三種技術(shù)途徑進(jìn)行選擇（如表2所示）：

表3給出了三種方案反推發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供的速度增量以及主傘、減速傘的情況。從上述方案中可以看出，方案三反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間最長(zhǎng)，推進(jìn)劑需求量最大，且需要主傘、減速傘備份，與方案一相比沒有質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)，與方案二相比又需要消耗更多的推進(jìn)劑；方案二增加了主傘，而且需要減速傘備份，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的速度增量較大，而且還需要兩次點(diǎn)火，此外降落傘和反推發(fā)動(dòng)機(jī)交替工作，對(duì)與飛船姿態(tài)控制而言難度較大。本文是按方案一進(jìn)行初步分析的。

3.2 反推發(fā)動(dòng)機(jī)性能估算

表2 著陸回收方案對(duì)比

表3 各方案使用降落傘情況介紹

本節(jié)利用工程估算方法對(duì)反推發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行估算，內(nèi)容包括反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火高度、反推前返回艙下落姿態(tài)以及反推發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置等，并研究上述參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小和工作時(shí)間的影響。

反推發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度點(diǎn)火，決定了反推發(fā)動(dòng)機(jī)要提供不同的速度增量以及不等的工作時(shí)間。高度越高，反推發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間越長(zhǎng)，但推力相對(duì)較小。

反推發(fā)動(dòng)機(jī)在載人飛船上布置位置不同，會(huì)對(duì)所需推力大小產(chǎn)生較大影響。本次估算參照Space X的側(cè)面布局以及PPTS底部布局。由于側(cè)面布局的發(fā)動(dòng)機(jī)與載人飛船中軸線呈一定夾角（本文暫定30°夾角），因此對(duì)同類型發(fā)動(dòng)機(jī)來說，側(cè)面布局的有效推力小于底部布局。載人飛船參數(shù)選擇Space X公司的Dragon飛船相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)如下：

表4 大氣密度參數(shù)表

表5 載人飛船參數(shù)選擇對(duì)照表

返回艙從10km開始垂直下落，此時(shí)返回艙所受氣動(dòng)力全部為氣動(dòng)阻力。當(dāng)氣動(dòng)阻力與重力相抵時(shí)，達(dá)到恒定速度V，即：

由此，得出不同高度對(duì)應(yīng)的恒定速度，見下表：

表6 載人飛船飛行速度對(duì)照表[j5]

由上表及有關(guān)計(jì)算公式可以得出不同高度下反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作推力、工作時(shí)間以及推進(jìn)劑的消耗量：

從圖6中可以看到，反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火高度越高，所需要的推力越小，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間越長(zhǎng)，所消耗的推進(jìn)劑越多。其中反推發(fā)動(dòng)機(jī)在側(cè)面布局，1km高空點(diǎn)火時(shí)所需推力最大，大約為12.4kN；5km高空點(diǎn)火時(shí)所消耗的推進(jìn)劑最大，約為1805kg。發(fā)動(dòng)機(jī)在底部布局，1km高空點(diǎn)火時(shí)所消耗的推進(jìn)劑最少，大約為592kg；5km高空點(diǎn)火時(shí)所需推力最小，大約為6.9kN。

表7 理想狀態(tài)反推發(fā)動(dòng)機(jī)性能估算表

圖6 垂直下落反推發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖

4 總結(jié)

本文利用工程估算方法對(duì)反推發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行估算，評(píng)估內(nèi)容包括反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火高度、反推前返回艙下落姿態(tài)以及反推發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置等，并研究上述參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小、工作時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明：

①反推發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在側(cè)面時(shí)，所需推力和推進(jìn)劑消耗量比相同狀態(tài)下安裝在底部時(shí)要大；

②反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火高度對(duì)所需推力和推進(jìn)劑消耗量有較大影響，點(diǎn)火高度越高，推力越小，而推進(jìn)劑消耗量越大。

綜上所述：在采用方案一的前提下：

①從發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑消耗量來看，在推力允許的情況下，反推發(fā)動(dòng)機(jī)選擇底部布局、1km高空點(diǎn)火反推的方案所需要的推進(jìn)劑最少，可以控制在700kg以內(nèi)

②從發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小來看，若選取推進(jìn)劑消耗量最小，則推力為12.4kN；

③從發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸來看，Super Draco發(fā)動(dòng)機(jī)噴口直徑大約260mm，總長(zhǎng)估計(jì)500～600mm。

因此，對(duì)于Dragon飛船同等規(guī)模的載人飛船返回艙（返回艙總重6.5t，直徑3.7m左右）艙體空間完全可以布置8臺(tái)這一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，在載人飛船返回艙上配置反推發(fā)動(dòng)機(jī)方案初步認(rèn)為是可行的?！?/p>

［1］劉敏，榮偉.反推發(fā)動(dòng)機(jī)布局對(duì)返回艙著陸姿態(tài)的影響分析.航天返回與遙感.第31卷第2期.2010.4

［2］黃偉.反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制高度及其隨機(jī)偏差分析.航天返回與遙感.第23卷第3期.2002.9