基于高兼容和可重復(fù)使用的回收艙設(shè)計(jì)

趙二鑫 董彥芝 趙會(huì)光 盧齊躍

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

返回式衛(wèi)星是能實(shí)現(xiàn)載荷回收的空間實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。到目前為止，我國(guó)已成功發(fā)射并回收了25顆返回式衛(wèi)星[1]。傳統(tǒng)返回式衛(wèi)星回收艙的設(shè)計(jì)采用定制化方案，為了滿足不同載荷需求通常采用不同的設(shè)計(jì)方案，這使得單顆衛(wèi)星回收艙研制周期長(zhǎng)、成本昂貴且載荷回收率低，同時(shí)不具有重復(fù)使用能力。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的航天發(fā)展趨勢(shì)看，可重復(fù)使用技術(shù)是世界航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)在于降低衛(wèi)星研制成本、縮短衛(wèi)星研制周期[2]。為降低研發(fā)成本，設(shè)計(jì)具有高兼容性和可重復(fù)使用特點(diǎn)的返回式衛(wèi)星是十分必要的。為滿足商業(yè)化需要，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)開發(fā)可重復(fù)使用返回式衛(wèi)星進(jìn)行了嘗試，開展了多種重復(fù)返回平臺(tái)的可行性課題研究，本文結(jié)合在研工程型號(hào)可重復(fù)使用返回式衛(wèi)星（“實(shí)踐十九號(hào)”衛(wèi)星）開展回收艙的設(shè)計(jì)研究。在可重復(fù)使用衛(wèi)星中，僅回收艙具有可重復(fù)使用功能，其他艙段不重復(fù)使用。為了最大限度提高重復(fù)使用比例，需對(duì)艙段功能進(jìn)行優(yōu)化配置，使回收艙功能最大化[3]。因此，如何設(shè)計(jì)回收艙成為可重復(fù)使用衛(wèi)星研制的關(guān)鍵。

可重復(fù)使用返回式衛(wèi)星新的回收艙采用彈道式返回途徑，基本氣動(dòng)外形采用我國(guó)返回式衛(wèi)星經(jīng)典氣動(dòng)外形等比放大1.43倍，降低后端球底高度，減輕球底質(zhì)量，可大大提高回收艙的承載能力，新回收艙除滿足彈道式返回所必需的靜穩(wěn)定裕度外，還要求其著陸沖擊小、可重復(fù)使用率高、回收載荷質(zhì)量大、研制周期短、成本更低，且能夠適應(yīng)不同空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)實(shí)驗(yàn)的載荷需求。

本文對(duì)回收艙進(jìn)行無損回收設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)、載荷模塊獨(dú)立化和高兼容性設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)回收艙金屬結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)電子設(shè)備可重復(fù)使用，防熱結(jié)構(gòu)不重復(fù)使用；回收艙成功著陸回收后，通過更換防熱模塊以及對(duì)艙體金屬結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，可在 4個(gè)月內(nèi)對(duì)艙體平臺(tái)完成重構(gòu)達(dá)到再次使用發(fā)射的狀態(tài)；載荷模塊以載荷需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口與平臺(tái)艙體解耦，既能高兼容各類載荷需求，也可優(yōu)化、簡(jiǎn)化平臺(tái)設(shè)計(jì)，集約平臺(tái)資源，從載荷需求的提出到載荷模塊設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、集成總裝和測(cè)試僅需 4個(gè)月。回收艙平臺(tái)重構(gòu)完成后，載荷模塊整體更換，可在 6個(gè)月內(nèi)再次發(fā)射。

1 模塊化劃分

可重復(fù)使用衛(wèi)星回收艙的設(shè)計(jì)除滿足一般的布局原則與要求外，還要考慮可重復(fù)使用的特殊需求：1）回收模塊布局滿足彈道式再入返回氣動(dòng)外形要求和嚴(yán)格的質(zhì)量特性控制要求；2）基于經(jīng)濟(jì)性考慮在滿足使用要求的前提下，平臺(tái)設(shè)備盡可能布置在回收艙，盡量提高可重復(fù)使用比例；3）設(shè)備布局采取載荷、平臺(tái)分區(qū)布置方式，使載荷模塊與平臺(tái)模塊解耦；4）回收艙著陸對(duì)回收艙結(jié)構(gòu)、艙內(nèi)設(shè)備和載荷設(shè)備的沖擊盡量小；5）能夠快速對(duì)回收艙體進(jìn)行重構(gòu)，縮短研制周期，降低成本，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射的目標(biāo)。

回收艙整體劃分為3大模塊：頭殼模塊、穩(wěn)定裙模塊和裙底模塊，詳見圖1，總裝時(shí)可以分模塊并行總裝，縮短總裝周期[4-7]。各模塊又由不同的功能部分組成，頭殼模塊包含前端頭和后端頭，穩(wěn)定裙模塊包含載荷模塊、平臺(tái)模塊及艙體。前端頭整體為防熱材料，后端頭包括外部防熱單元和金屬結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定裙結(jié)構(gòu)包括外部防熱單元和金屬結(jié)構(gòu)，各模塊防熱單元均可單獨(dú)拆卸。

圖1 回收艙模塊劃分示意Fig.1 The module design of reclaim capsule

2 模塊化設(shè)計(jì)功能分析

2.1 無損化回收設(shè)計(jì)

可重復(fù)使用返回式衛(wèi)星的重要技術(shù)特點(diǎn)是能夠?yàn)檩d荷提供更好的回收著陸環(huán)境，并最大化重復(fù)使用衛(wèi)星回收艙結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的平臺(tái)設(shè)備，無損回收技術(shù)是此特點(diǎn)的關(guān)鍵保障。無損回收是指確?；厥盏钠脚_(tái)設(shè)備、結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用，回收載荷無損壞。為實(shí)現(xiàn)無損回收，需要將原返回式衛(wèi)星約 200gn的著陸沖擊環(huán)境控制在15gn以內(nèi)，在著陸過程中需采取緩沖措施，經(jīng)過多方面的調(diào)研和論證，回收艙采用“降落傘+緩沖氣囊”的回收方案。如圖 1所示，降落傘的配置位置與傳統(tǒng)返回式衛(wèi)星的相同，均在艙體尾部，工作模式也相同，根據(jù)新回收艙的整體質(zhì)量適應(yīng)性調(diào)整降落傘面積[8]，新增的緩沖氣囊裝置布置于回收艙后端頭頂部，在發(fā)射及在軌階段氣囊通過包布呈包裝壓縮狀態(tài)整體安裝在給定的空間內(nèi)[9]。

回收艙返回時(shí)，在距地面10km高度處打開降落傘，回收艙速度降低；在距地面2km處時(shí)，拋掉前端頭，緩沖氣囊充氣打開，對(duì)回收艙著陸提供緩沖和保護(hù)，降低著陸時(shí)的沖擊過載，實(shí)現(xiàn)回收艙無損著陸。緩沖氣囊組成示意見圖2。

為校核著陸緩沖過程不同水平速度對(duì)緩沖氣囊性能的影響，開展了帶有水平速度的氣囊著陸緩沖仿真分析[10-12]，將新設(shè)計(jì)的回收艙質(zhì)量、尺寸等參數(shù)作為已知條件，將著陸速度分解為水平速度和豎直速度，設(shè)置不同的速度組合作為不同的著陸工況，其中豎直速度 8m/s、水平速度 8m/s工況為極限工況。極限工況下從觸地開始到1s時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)和應(yīng)力結(jié)果如圖3所示，圖中t為從觸地時(shí)刻開始的時(shí)間。

參考多工況的分析結(jié)果，當(dāng)著陸存在側(cè)向速度時(shí)，艙體容易發(fā)生側(cè)翻[13]，但側(cè)向速度對(duì)軸向過載及減速情況影響不明顯，軸向緩沖過載在8～9gn之間。仿真計(jì)算表明：在氣囊的緩沖作用下，著陸過載小于10gn，滿足小于15gn的需求。完成氣囊詳細(xì)設(shè)計(jì)后，投產(chǎn)緩沖氣囊樣機(jī)，開展了高塔投放試驗(yàn)。

圖2 緩沖氣囊組成及著陸狀態(tài)示意Fig.2 The airbag composition status

圖3 極限著陸工況仿真分析云圖Fig.3 Simulation analysis of maximum landing condition

試驗(yàn)時(shí)在回收艙內(nèi)不同位置放置有5個(gè)傳感器，設(shè)置不同的投放工況，經(jīng)多次模擬著陸試驗(yàn)后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖4為極限工況下艙內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)方向（Z為艙體垂直地面的方向，X和Y為艙體的兩個(gè)水平正交方向）的沖擊數(shù)據(jù)，可以看到經(jīng)過緩沖后的回收艙軸向過載小于15gn，相比于傳統(tǒng)返回式衛(wèi)星最大200gn的沖擊過載減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠達(dá)到著陸緩沖的目的，實(shí)現(xiàn)無損回收目標(biāo)[14]。

圖4 緩沖氣囊模型著陸沖擊數(shù)據(jù)Fig.4 The landing impact date

2.2 載荷模塊高兼容設(shè)計(jì)

回收艙用于載荷安裝的可用區(qū)域如圖5中所示，共計(jì)3個(gè)區(qū)域，將載荷區(qū)域1和2集成為載荷模塊，模塊與艙體結(jié)構(gòu)獨(dú)立，用以安裝載荷設(shè)備，平臺(tái)模塊上表面安裝有平臺(tái)設(shè)備，平臺(tái)模塊背面為載荷區(qū)域3，用于搭載預(yù)留使用，回收艙三個(gè)載荷區(qū)域合計(jì)承載能力為500kg，平臺(tái)模塊隨艙體配置，不重復(fù)設(shè)計(jì)，載荷模塊根據(jù)不同發(fā)射任務(wù)進(jìn)行整體更換設(shè)計(jì)。

載荷模塊可作為獨(dú)立的部件從回收艙拆下，其上、下面均為載荷安裝空間。載荷模塊采用蜂窩板結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝孔可預(yù)埋也可后埋，對(duì)于確定載荷，可以提前加工好安裝孔，對(duì)于未確定的載荷，可以在后期接口確定后再加工安裝孔。載荷模塊與平臺(tái)之間的機(jī)、電、熱接口均為獨(dú)立接口，該模塊根據(jù)載荷設(shè)備的需求定制完畢后，支持獨(dú)立總裝、測(cè)試，無需依附平臺(tái)艙。將載荷模塊與平臺(tái)的研制解耦，每次發(fā)射，僅需對(duì)載荷模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)即可[5-6]，這種設(shè)計(jì)大大的提高了載荷模塊的兼容性。

圖5 回收艙載荷可用空間示意Fig.5 Available space for the reclaim load

實(shí)際上，很多生物類和生命類的實(shí)驗(yàn)載荷有特殊要求，有的需要在衛(wèi)星臨發(fā)射前10h內(nèi)安裝，有的要求恒溫環(huán)境。因此載荷模塊設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足獨(dú)立總裝、測(cè)試外，還要求具備塔架上安裝載荷設(shè)備的能力；設(shè)備布局也采用分塊化設(shè)計(jì)，正面安裝有源和需塔架安裝的載荷設(shè)備，將正面安裝區(qū)域劃分為兩個(gè)不同的控溫區(qū)（如圖6所示），可以控制設(shè)備工作溫度在（10±3）℃的范圍內(nèi)，以滿足對(duì)環(huán)境溫度有嚴(yán)格限制的載荷需求。載荷模塊背面空間劃分為4個(gè)完全相互獨(dú)立的區(qū)域，各區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)小型隔艙，大量的無源載荷或搭載載荷均安裝在隔艙內(nèi)。除載荷獨(dú)立模塊外，根據(jù)圖5可知，在平臺(tái)模塊的背面預(yù)留有載荷的安裝接口，用于有效載荷的輔助安裝，該位置安裝接口固定，當(dāng)需要時(shí)可通過轉(zhuǎn)接方式安裝載荷設(shè)備[15-16]。

圖6 回收艙載荷模塊分區(qū)示意Fig.6 Load module partition diagram

載荷模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)、總裝和測(cè)試，在可重復(fù)使用衛(wèi)星的回收艙上已通過實(shí)踐驗(yàn)證，研制周期合計(jì)為4個(gè)月左右；平臺(tái)的機(jī)電熱接口也均滿足使用要求，可承載500kg有效載荷。

2.3 快速重構(gòu)設(shè)計(jì)

回收艙需重復(fù)使用，通過功能優(yōu)化配置將回收艙功能、價(jià)值最大化，既能控制回收模塊平臺(tái)設(shè)備占比規(guī)模，又能最大限度提高高價(jià)值產(chǎn)品重復(fù)使用的數(shù)量[17]?；厥张摲罒釂卧c艙體金屬結(jié)構(gòu)之間采用可拆卸、可更換的設(shè)計(jì)方式，如圖7所示。艙體回收后，防熱單元整體更換，可重復(fù)使用的主要是艙體金屬結(jié)構(gòu)和平臺(tái)設(shè)備。無損設(shè)計(jì)可以有效降低著陸對(duì)回收艙金屬結(jié)構(gòu)和平臺(tái)電子設(shè)備的沖擊，通過任務(wù)分析識(shí)別出金屬結(jié)構(gòu)重復(fù)使用的主要影響因素，采用建立金屬主結(jié)構(gòu)損傷程度與載荷作用關(guān)系模型的方式，將不同載荷對(duì)結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律各異帶來的評(píng)價(jià)方法繁多且無法反應(yīng)耦合關(guān)系的問題，統(tǒng)一至采用結(jié)構(gòu)損傷程度來表征，進(jìn)一步通過損傷程度來表征剩余性能，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星全任務(wù)段不同載荷作用下結(jié)構(gòu)壽命的評(píng)估[18-19]。經(jīng)過仿真分析，衛(wèi)星金屬結(jié)構(gòu)滿足重復(fù)使用15次要求。對(duì)平臺(tái)電子設(shè)備的使用環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，設(shè)備在力學(xué)、熱和輻照方面均滿足重復(fù)使用15次要求?；厥张撆涮椎钠脚_(tái)設(shè)備重復(fù)使用率為80%。

圖7 防熱單元可拆卸設(shè)計(jì)示意Fig.7 Replaceable design of heat-proof module

回收艙返回后需要通過檢測(cè)、測(cè)試、試驗(yàn)、更換等維護(hù)措施，確保回收艙可重復(fù)使用，主要包括：1）拆除防熱單元、火工品等消耗類產(chǎn)品；2）使用外形掃描和數(shù)據(jù)采集、無損檢測(cè)等手段，檢查金屬結(jié)構(gòu)；3）低量級(jí)掃頻試驗(yàn)，確認(rèn)力學(xué)性能；4）100h健康狀態(tài)測(cè)試，確認(rèn)設(shè)備電性能；5）安裝新防熱單元、火工品，具備重用條件，完成平臺(tái)重構(gòu)；6）載荷模塊并行開展設(shè)計(jì)、總裝和測(cè)試；7）載荷模塊與星體對(duì)接，驗(yàn)證機(jī)電熱接口，具備發(fā)射狀態(tài)。

回收艙的可重復(fù)使用和模塊化設(shè)計(jì)，使其在回收后的4個(gè)月內(nèi)即可完成艙體平臺(tái)的維護(hù)重構(gòu)，達(dá)到再次使用的要求。

2.4 對(duì)質(zhì)量特性影響

回收艙彈道式返回要求艙體橫向質(zhì)心位置相對(duì)回轉(zhuǎn)軸線距離小于1mm，縱向質(zhì)心在壓心之前，并盡量靠近前端頭[20]，上述設(shè)計(jì)對(duì)回收艙質(zhì)量特性控制有以下優(yōu)勢(shì)：

1）緩沖氣囊裝置整體作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，安裝在回收艙最前端，其外形與前端頭內(nèi)型面賦形設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)最大程度地利用了緩沖氣囊的質(zhì)量，兼具配重功能，將回收艙質(zhì)心前移；

2）載荷模塊與艙體獨(dú)立，其安裝位置在穩(wěn)定裙上部，有利于最大限度的控制回收艙的質(zhì)量特性，艙體設(shè)計(jì)完成后，載荷模塊質(zhì)量特性明確，在進(jìn)行載荷布局配置時(shí)，僅需單獨(dú)控制載荷模塊質(zhì)量特性；

3）防熱單元與金屬結(jié)構(gòu)可拆卸設(shè)計(jì)，前端頭防熱設(shè)計(jì)厚度為可變厚度，大小可根據(jù)回收艙質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整以保證艙體質(zhì)心滿足壓心要求，后端頭防熱和穩(wěn)定裙防熱無需重新設(shè)計(jì)；

4）回收艙艙體上和載荷模塊上均預(yù)留有配重安裝孔，可根據(jù)安裝載荷的具體情況通過增減配重塊來調(diào)整整個(gè)艙體的質(zhì)心位置。

綜上，新回收艙已順利通過質(zhì)量特性測(cè)試，通過上述模塊化設(shè)計(jì)和配置，無需實(shí)施配重措施即滿足質(zhì)量特性要求。

3 結(jié)束語

可重復(fù)使用返回式商業(yè)化衛(wèi)星，要求其具有對(duì)載荷適應(yīng)性強(qiáng)、項(xiàng)目研制成本低、開發(fā)周期短和可快速發(fā)射的能力，本文對(duì)其回收艙的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了深入研究，給出了具有緩沖著陸功能、載荷模塊與平臺(tái)模塊獨(dú)立、可快速實(shí)現(xiàn)艙體重構(gòu)的回收艙設(shè)計(jì)方案，該回收艙已完成研制，并經(jīng)過總裝和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）等比放大回收艙，通過優(yōu)化設(shè)備配置和構(gòu)型設(shè)計(jì)，回收載荷能力大于500kg，回收載荷質(zhì)量占比由28%提高到40.6%，無需實(shí)施配重即滿足質(zhì)量特性要求，說明文中的設(shè)計(jì)手段有利于回收艙質(zhì)量特性控制；

2）通過增加緩沖氣囊設(shè)計(jì)能夠減小著陸沖擊，沖擊過載小于 15gn，有利于對(duì)艙體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)設(shè)備和返回載荷的保護(hù)，說明回收艙采用的無損回收方式有效；

3）載荷模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使得回收艙能夠適應(yīng)不同載荷的不同需求，提高對(duì)載荷設(shè)備的兼容性，可并行開展設(shè)計(jì)、總裝和測(cè)試，4個(gè)月即可完成模塊研制；

4）回收艙返回后 4個(gè)月內(nèi)能夠完成其艙體結(jié)構(gòu)的平臺(tái)重構(gòu)，回收艙平臺(tái)電子設(shè)備可重復(fù)使用率為80%，同步載荷模塊的研制，可具備6個(gè)月后再次發(fā)射的能力，縮短研制周期并降低研制成本。

目前該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于工程實(shí)踐，后續(xù)針對(duì)載荷模塊如何適應(yīng)大體積、低密度設(shè)備的問題進(jìn)行更深入的研究。