探月返回器降落傘減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

賈賀 榮偉 包進(jìn)進(jìn) 王海濤

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)(2 國(guó)防科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410073)

根據(jù)我國(guó)月球探測(cè)“繞、落、回”三步走的實(shí)施方針，第一步即是發(fā)射月球探測(cè)衛(wèi)星，第二步是實(shí)施月球軟著陸和月球自動(dòng)巡視勘察探測(cè)，第三階段則是實(shí)施月球樣品的自動(dòng)取樣返回。目前我國(guó)月球探測(cè)的第一步和第二步工作均已取得了圓滿的成功，第三步的工程任務(wù)(以下簡(jiǎn)稱探月三期)目前正緊張有序地開(kāi)展，并于2014年成功地完成了月地高速再入返回相關(guān)技術(shù)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在各類(lèi)氣動(dòng)減速裝置中，降落傘裝置以其質(zhì)量輕、包裝體積小、減速效率高等優(yōu)點(diǎn)在各類(lèi)航天航空任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為多種飛行器減速及安全回收的重要裝置[1-5]。降落傘減速系統(tǒng)是探月三期返回器返回著陸段一個(gè)重要的氣動(dòng)減速裝置，探月返回器返回時(shí)將由返回器、降落傘減速系統(tǒng)共同接力完成進(jìn)入、減速下降和著陸過(guò)程，實(shí)現(xiàn)返回器的安全著陸。因此，降落傘減速是探月三期任務(wù)的最后步驟，是確保采集的月球樣品能否成功回收的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是探月三期任務(wù)成敗的最終標(biāo)志。降落傘減速系統(tǒng)主要功能是當(dāng)返回器二次再入大氣層，且速度、高度下降至預(yù)定范圍時(shí)，利用降落傘的氣動(dòng)阻力，穩(wěn)定返回器的姿態(tài)，降低返回器的下降速度，最終使返回器著陸速度滿足規(guī)定的要求。為了得到一種適用于探月返回器用的、合理有效的降落傘減速系統(tǒng)方案，開(kāi)展了傘艙系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、艙蓋分離安全性、系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證工作[6-9]。

本文針對(duì)探月返回器降落傘減速系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)返回器-降落傘系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析，考慮降落傘減速系統(tǒng)工作時(shí)的多因素約束，提出了一種開(kāi)傘載荷非均衡的兩級(jí)降落傘減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性和性能的有效性。

1 探月返回任務(wù)輸入與特點(diǎn)分析

1.1 任務(wù)總體分析

為了為我國(guó)未來(lái)的載人探月和深空探測(cè)等活動(dòng)奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)，探月三期返回器將采用半彈道跳躍式再入返回方式。當(dāng)返回器與軌道器分離后，返回器直接進(jìn)入地球大氣層，下降到海拔高度約60 km時(shí)，借助氣動(dòng)力的作用，返回器再次躍出大氣層，然后第二次進(jìn)入大氣層，下降到設(shè)計(jì)的開(kāi)傘高度時(shí)，降落傘系統(tǒng)開(kāi)始工作，對(duì)返回器作進(jìn)一步減速，最終確保返回器安全著陸。

探月三期返回器降落傘減速系統(tǒng)工作輸入約束主要有：

(1)返回器彈蓋開(kāi)傘時(shí)的質(zhì)量約為330 kg，著陸時(shí)的重量約為310 kg；

(2)開(kāi)傘高度大于10 km(海拔高度)；

(3)開(kāi)傘速壓不大于5.0 kPa；

(4)返回器的垂直著陸速度應(yīng)不大于13 m/s(按海拔高度1 km考慮)；

(5)各級(jí)降落傘開(kāi)傘過(guò)載不大于7gn；

(6)降落傘系統(tǒng)質(zhì)量不大于9 kg;

(7)采用側(cè)向彈蓋開(kāi)傘方式。

1.2 任務(wù)特點(diǎn)分析

根據(jù)探月三期返回器的總體布局要求，降落傘減速系統(tǒng)需采用側(cè)向彈蓋開(kāi)傘的方式，且因各種約束條件的限制，彈蓋開(kāi)傘產(chǎn)生的作用力方向還不能通過(guò)返回器的質(zhì)心、降落傘與返回器之間的連接也只能采用單點(diǎn)吊掛方式。特別是返回器的質(zhì)量特性與神舟飛船的質(zhì)量特性小很多，探月三期返回器的質(zhì)量?jī)H為神舟載人飛船返回艙質(zhì)量的1/10，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只有飛船返回艙的1/40，這將使得探月三期返回器的姿態(tài)更容易受各種干擾因素的影響。這些因素均將有可能對(duì)返回器返回著陸過(guò)程中的器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。盡管對(duì)降落傘減速系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性沒(méi)有明確要求，但由于探月返回器的布局相當(dāng)緊湊，若器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生降落傘吊帶與返回器間的相互磨損，從而導(dǎo)致降落傘減速系統(tǒng)工作的失效，因此，器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析中需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)[10]。

2 器傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1 坐標(biāo)系定義

降落傘和返回器組成的單點(diǎn)吊掛系統(tǒng)示意如圖1所示，采用右手坐標(biāo)系定義降落傘的體坐標(biāo)系O1X1Y1Z1，返回器的體坐標(biāo)系O3X3Y3Z3和大地坐標(biāo)系OEXEYEZE。

圖1 器傘系統(tǒng)坐標(biāo)系

降落傘體坐標(biāo)系O1X1Y1Z1的原點(diǎn)O1為傘衣的幾何中心，O1X1軸沿著傘的對(duì)稱軸指向傘繩的匯交點(diǎn)，O1Y1軸垂直于O1X1軸并指向仿真初始時(shí)刻的速度方向，O1Z1軸的指向根據(jù)右手法則確定。

返回器體坐標(biāo)系O3X3Y3Z3的原點(diǎn)O3位于回收系統(tǒng)啟動(dòng)之前返回器的質(zhì)心，O3X3和O3Y3軸在縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，O3X3軸平行于縱向?qū)ΨQ軸，O3Z3軸垂直于該平面，指向傘艙一側(cè)，O3Y3根據(jù)右手法則確定。

大地坐標(biāo)系OEXEYEZE為北天東坐標(biāo)系。它的原點(diǎn)OE與計(jì)算初始時(shí)刻返回器體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O3在當(dāng)?shù)厮矫嫔系耐队包c(diǎn)重合，OEYE軸鉛垂向上，OEXE和OEZE軸在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，分別指向北方和東方。

2.2 器傘系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 返回器動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)一般剛體動(dòng)力學(xué)方程，得到返回器的動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

(2)

式中：XC3,YC3,ZC3為返回器質(zhì)心坐標(biāo)在返回器體坐標(biāo)系中的分量；U3,V3,W3為返回器速度在返回器體坐標(biāo)系中的分量；ωx,ωy,ωz為返回器角速度在返回器體坐標(biāo)系中的分量；m3為當(dāng)前階段的返回器質(zhì)量；FX3,FY3,FZ3為返回器所受的合外力在返回器體坐標(biāo)系中的分量，其中作用于返回器上的外力包括返回器所受的氣動(dòng)力、返回器所受的重力、吊帶對(duì)返回器的約束力。MX3,MY3,MZ3是作用返回器所受的合外力矩在返回器體坐標(biāo)系中的分量，ωx,ωy,ωz為返回器角速度在返回器體坐標(biāo)系中的分量，IabC(a,b=X,Y,Z)為返回器相對(duì)其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積，其中作用在返回器上的外力矩包括返回器氣動(dòng)力矩、返回器重力矩、吊帶對(duì)返回器的約束力矩、返回器氣動(dòng)阻尼力矩。

2.2.2 降落傘動(dòng)力學(xué)方程

由于降落傘在充氣過(guò)程中，隨著傘衣向外膨脹，它所帶動(dòng)的流體區(qū)域也隨之?dāng)U大。為了描述附加質(zhì)量的這種變化，在降落傘的動(dòng)力學(xué)模型中要包含附加質(zhì)量的變化率項(xiàng)。得到降落傘的動(dòng)力學(xué)方程：

(3)

(4)

降落傘的充氣過(guò)程中，傘衣阻力面積隨時(shí)間的變化規(guī)律可表示為

(5)

式中：ψ1為傘衣拉直或解除收口時(shí)的阻力面積；ψ2為給定的收口級(jí)完全充滿時(shí)的阻力面積；t1為傘衣拉直或解除收口的時(shí)刻；t2為給定的收口級(jí)完全充滿的時(shí)刻；n為充氣指數(shù)。

3 降落傘減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 降落傘減速系統(tǒng)多方案的性能分析

根據(jù)傘降著陸速度的要求，通過(guò)器傘系統(tǒng)穩(wěn)定下降時(shí)的平衡關(guān)系式(6)并考慮一定的設(shè)計(jì)余量，即可設(shè)計(jì)探月返回器主傘的阻力面積為40 m2。

(6)

式中：m為著陸時(shí)返回器的質(zhì)量；ρ為著陸場(chǎng)地面大氣密度；g為重力加速度；v為返回器垂直著陸速度；CD為降落傘阻力系數(shù)；A為降落傘名義面積。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的主傘阻力面積，結(jié)合傘開(kāi)傘條件、開(kāi)傘過(guò)載等要求，降落傘減速系統(tǒng)的方案直接采用“主傘”一級(jí)減速和采用“減速傘+主傘”兩級(jí)減速方案均可以實(shí)現(xiàn)，但正如任務(wù)特點(diǎn)分析所述，器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。為此，在確定采用一級(jí)減速方案還是采用兩級(jí)減速方案時(shí)，對(duì)這兩種方案對(duì)器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。

根據(jù)探月返回器開(kāi)傘方式和出傘通道的特點(diǎn)，若采用主傘一級(jí)方案，也需采用一個(gè)引導(dǎo)傘來(lái)拉出主傘。因此，在對(duì)比分析一級(jí)減速方案和兩級(jí)減速方案對(duì)器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時(shí)，一級(jí)減速方案中的引導(dǎo)傘和兩級(jí)減速方案中的減速傘均取同樣1 m2的阻力面積。

根據(jù)前面所建立的器傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)一級(jí)減速方案和兩級(jí)減速方案的相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)是兩級(jí)減速方案中減速傘和主傘工作段返回器擺角隨時(shí)間的變化，其中返回器的擺角定義為返回器軸線和垂直方向的夾角(以下類(lèi)同)，從圖中可以看出，對(duì)于兩級(jí)減速方案，返回器擺角最厲害的時(shí)間是減速傘開(kāi)傘階段，因此，在有關(guān)穩(wěn)定性的分析中主要是考察減速傘工作段。首先對(duì)一級(jí)減速方案中的主傘開(kāi)傘段和兩級(jí)減速方案的減速傘開(kāi)傘段的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2(b)～(d)是兩種減速方案中返回器擺角變化、合角速度變化以及艙傘間夾角變化的對(duì)比，各參數(shù)如表1所示。從圖中可知，一級(jí)減速方案中返回器的擺動(dòng)明顯比兩級(jí)減速方案的大。一級(jí)減速方案中返回器的最大擺角約為95°，最大合角速度約為394 (°)/s，返回器與降落傘之間的最大夾角(定義為返回器軸線與降落傘軸線間的夾角，以下類(lèi)同)約為76°、最小夾角約為5°；而兩級(jí)減速方案中返回器的最大擺角約為80°，最大合角速度約為268 (°)/s，返回器與降落傘之間的最大夾角約為61°、最小夾角約為11°。由于返回器擺動(dòng)過(guò)大一方面對(duì)艙內(nèi)的儀器設(shè)備的受力不利，另一方面存在著降落傘吊帶與返回器間相互磨損的隱患，給返回器的安全回收帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

表1 兩種減速方案主要穩(wěn)定性參數(shù)的對(duì)比

圖2 兩種減速方案對(duì)穩(wěn)定性的影響Fig.2 Influence on stability of two deceleration schemes

可見(jiàn)，從器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)看，采用兩級(jí)減速方案更加合理、可靠。同時(shí)，從降落傘的開(kāi)傘過(guò)載來(lái)考慮，采用兩級(jí)降落傘減速不僅有利于減小降落傘的開(kāi)傘載荷，而且也有利于提高降落傘減速系統(tǒng)的適用范圍。因此，綜合各個(gè)方面來(lái)考慮，采用減速傘加主傘兩級(jí)減速方案是一個(gè)合理的設(shè)計(jì)選擇。

3.2 不同減速傘面積的性能分析

在確定了采用減速傘加主傘兩級(jí)減速方案后，對(duì)于減速傘的設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。減速傘主要是承受最大的開(kāi)傘速壓，并為主傘創(chuàng)造合適的開(kāi)傘條件。減速傘的面積一般是根據(jù)各級(jí)降落傘的開(kāi)傘載荷相互接近且前一級(jí)開(kāi)傘載荷略小于后一級(jí)開(kāi)傘載荷的設(shè)計(jì)原則所確定的。

根據(jù)所建立的器傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)不同面積大小的減速傘減速方案的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真。圖3和表2所示為不同面積大小的減速傘減速方案中降落傘的開(kāi)傘過(guò)載。從開(kāi)傘載荷的設(shè)計(jì)原則來(lái)看，采用1.5 m2或2 m2的減速傘比較合理。

圖3 降落傘開(kāi)傘過(guò)載的變化Fig.3 Variation of parachute opening load

表2 不同大小的減速傘方案中各級(jí)降落傘的開(kāi)傘過(guò)載

從探月返回器的開(kāi)傘條件來(lái)說(shuō)，3種減速傘方案中的開(kāi)傘載荷，對(duì)于降落傘的強(qiáng)度設(shè)計(jì)均沒(méi)有大的影響；而減速傘面積的增大，將增加減速傘的質(zhì)量，這就需要考慮質(zhì)量的增加是否還能夠滿足探月返回器對(duì)降落傘減速系統(tǒng)的指標(biāo)要求，另一方面，質(zhì)量的增加對(duì)于彈蓋拉傘環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)也是不利的；根據(jù)前面任務(wù)特點(diǎn)分析，還需考慮器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況。

減速傘的大小對(duì)器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析結(jié)果如圖4所示。采用不同面積大小的減速傘，返回器擺角、合角速度以及器傘間夾角等主要參數(shù)變化如表3所示。從仿真結(jié)果可知，減速傘的阻力面積在1～2 m2之間時(shí)，返回器擺角和返回器與減速傘間最大夾角的變化差別不大；返回器的最大合角速度則隨著減速傘面積的增大而變大，對(duì)于1 m2阻力面積的減速傘，返回器的最大合角速度約為268 (°)/s，對(duì)于2 m2阻力面積的減速傘，返回器的最大合角速度約為322 (°)/s；返回器與降落傘之間的最小夾角則隨著減速傘面積的增大略有變小，對(duì)于1 m2阻力面積的減速傘，返回器與降落傘之間的最小夾角約為11.0°，對(duì)于2 m2阻力面積的減速傘，返回器與降落傘之間的最小夾角約為7.2°。綜上所述，從器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)看，采用1 m2阻力面積的減速傘更合適些。

圖4 不同大小的減速傘方案對(duì)穩(wěn)定性的影響Fig.4 Influence on stability of different size drag parachute schemes

表3 不同減速傘工況下主要穩(wěn)定性參數(shù)對(duì)比

3.3 降落傘減速系統(tǒng)方案的最終確定

綜合上述各方面的考慮，探月返回器降落傘減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案由減速傘和主傘構(gòu)成，且降落傘開(kāi)傘載荷的設(shè)計(jì)采用一種非均衡的設(shè)計(jì)方案，即由1 m2的減速傘承受最大開(kāi)傘速壓，并穩(wěn)定返回器的運(yùn)動(dòng)，為主傘開(kāi)傘創(chuàng)造合適的條件，最后由主傘達(dá)到規(guī)定的傘降著陸速度。同時(shí)主傘采用一次收口的方法，進(jìn)一步控制各級(jí)開(kāi)傘過(guò)載不致超出規(guī)定的限制要求。

綜合以上設(shè)計(jì)，探月返回器降落傘減速系統(tǒng)的組成如圖5所示，主要參數(shù)如表4。當(dāng)返回器返回到離地面一定高度時(shí)彈掉傘艙蓋，同時(shí)將減速包拉出，并順序?qū)p速傘拉直。然后減速傘對(duì)返回器減速并穩(wěn)定其姿態(tài)，減速傘工作一定時(shí)間后，減速傘與返回器分離并將主傘拉出，主傘先呈收口狀工作，再完全張滿確保返回器以安全速度著陸。

圖5 降落傘系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 Composition of parachute system

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保降落傘減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和性能的有效性，研制團(tuán)隊(duì)采用了仿真試驗(yàn)與空投試驗(yàn)結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證。其中空投試驗(yàn)共進(jìn)行了10余架次，各級(jí)降落傘均工作正常，系統(tǒng)方案得到了充分驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

對(duì)空投試驗(yàn)獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析(見(jiàn)圖6～圖9)。其中圖6是主傘開(kāi)傘力隨時(shí)間的變化，仿真試驗(yàn)得出主傘一級(jí)開(kāi)傘力峰值為14.84 kN，空投試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為14.39 kN，相比約大3%，二級(jí)開(kāi)傘力峰值為11.82 kN。圖7和圖8為仿真試驗(yàn)的高度和速度與空投試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比，仿真試驗(yàn)計(jì)算值和空投試驗(yàn)實(shí)測(cè)值存在良好的一致性。圖9是仿真試驗(yàn)的擺角與空投試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比，兩者總體保持良好的一致性?？梢?jiàn)，相同工況設(shè)置下，仿真試驗(yàn)計(jì)算值和空投試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的一致性，表明仿真試驗(yàn)計(jì)算模型也是可信的。

圖6 主傘開(kāi)傘力隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of main parachute tension with time

圖8 合速度隨時(shí)間變化 Fig.8 Variation of resultant velocity with time

圖9 擺角隨時(shí)間變化Fig.9 Variation of swing angle with time

2014年10月24日—11月1日，探月返回器降落傘減速系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了月地高速再入返回飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證，確保了返回器的安全回收，保證了月地高速再入返回任務(wù)的成功實(shí)施。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后的降落傘的檢查發(fā)現(xiàn)均完好無(wú)損，其結(jié)果表明探月返回器降落傘減速系統(tǒng)方案是合理的，工作性能是穩(wěn)定可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然探月返回器采取了類(lèi)似神舟飛船返回艙的氣動(dòng)外形，但是對(duì)于降落傘減速系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單的按比例縮放。神舟飛船因?yàn)槠鋱?zhí)行載人任務(wù)的特殊性，設(shè)置了主備兩套降落傘裝置，而探月返回器降落傘系統(tǒng)由于總體布局的要求，且因重量、體積各種約束條件的限制，僅設(shè)置了一套降落傘裝置。特別是返回器的質(zhì)量特性比神舟飛船的質(zhì)量特性小很多，探月返回器的質(zhì)量?jī)H為神舟載人飛船返回艙質(zhì)量的1/10，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只有飛船返回艙的1/40，這將使得探月返回器的姿態(tài)更容易受各種干擾因素的影響。且由于返回器的布局相當(dāng)緊湊，若器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生降落傘吊帶與返回器間的相互磨損，從而導(dǎo)致降落傘減速系統(tǒng)工作的失效。

針對(duì)上述要求，除繼承神舟飛船降落傘減速系統(tǒng)研制驗(yàn)證思路外，有別于神舟飛船降落傘減速系統(tǒng)對(duì)稱開(kāi)傘載荷的設(shè)計(jì)原則，探月返回器降落傘減速系統(tǒng)采用了開(kāi)傘載荷非均衡的兩級(jí)降落傘組成的減速系統(tǒng)方案，該方案有效提高了器傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大擺角減小15%，最大角速度可減小30%。從系統(tǒng)方案上解決了返回器開(kāi)傘載荷、器傘系統(tǒng)穩(wěn)定性等多因素約束的匹配性設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真試驗(yàn)、空投試驗(yàn)和月地高速再入返回任務(wù)飛行試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該降落傘減速方案的合理性和整體性能的有效性。