環(huán)帆傘技術與發(fā)展綜述

賈華明 楊霞 李少騰 牛國永 林汝領 劉乃彬

環(huán)帆傘技術與發(fā)展綜述

賈華明1,2楊霞1李少騰1牛國永1林汝領1劉乃彬1

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 中國航天科技集團有限公司航天進入、減速與著陸技術實驗室，北京 100094）

環(huán)帆傘具有開傘可靠、開傘沖擊小和傘衣抗損傷能力強的特點，已廣泛應用于載人航天回收系統(tǒng)。為全面了解和跟蹤環(huán)帆傘技術的發(fā)展，特別是了解和掌握基于群傘使用的大型環(huán)帆傘技術，文章通過分析環(huán)帆傘的結構特點，總結環(huán)帆傘在航天領域的成功應用經驗，證明環(huán)帆傘是大型降落傘，尤其是載人航天群傘技術的首選傘型。同時文章還對環(huán)帆傘的設計改進過程進行了回顧，包括傘衣側剖面形狀、傘衣上下緣張滿度、透氣量、使用材料、加工工藝和包傘技術。最后對群傘使用情況進行了探討，尤其是開傘不同步的問題，并提出了提高充氣同步性的建議，這對于中國新一代載人飛船群傘技術的研究具有重要的參考意義。

回收系統(tǒng) 環(huán)帆傘 傘衣側剖面形狀 張滿度 群傘 載人航天

0 引言

作為對環(huán)縫傘的改進，美國的Edgar G. Ewing在1955年2月首次設計出了環(huán)帆傘[1]。在進行初期開發(fā)和早期失效分析之后，證明環(huán)帆傘可以作為逃逸系統(tǒng)的降落傘，從而應用到美國所有的載人航天器，取得了巨大成功，包括“水星號”、“雙子星”和“阿波羅”載人飛船，以及最新的“獵戶座”（Orion）飛船[2]。

環(huán)帆傘具有開傘迅速可靠，開傘沖擊小，傘衣抗損傷能力強等優(yōu)點，當降落傘設計要素中包含載人可靠性水平要求時，環(huán)帆傘就成了航天器降落傘的首選傘型[3]。隨著大質量物體減速回收需求的增加，降落傘的面積也越做越大。本文將介紹國內外幾種應用于航天領域的名義面積超過900m2的大型環(huán)帆傘，同時對環(huán)帆傘的設計改進過程進行回顧，這有助于全面了解和跟蹤環(huán)帆傘技術的發(fā)展，特別是了解和掌握基于群傘使用的大型環(huán)帆傘技術，可以為我國新一代載人飛船群傘技術的研究提供參考。

1 環(huán)帆傘的結構特點

環(huán)帆傘由許多傘衣片拼接而成，每片傘衣的形狀像一個獨立的風帆，現代環(huán)帆傘大都傘衣上部采用環(huán)縫結構，傘衣下部上、下傘衣片之間形成月牙形的縫隙排氣口，形成向下排氣的波環(huán)結構，而排氣口的大小通過控制傘衣幅寬度來實現[4]。環(huán)帆傘結構見圖1所示。

在傘衣開始充氣時，空氣不僅僅可以從傘衣口進入，也可以從每個傘衣幅的前緣進入，由于傘衣外的氣流能量高于傘衣里面，從傘衣前緣，空氣源源不斷的進入傘衣里面，這就加速了充氣過程，有助于快速開傘[5]。

在穩(wěn)定下降階段，由于月牙形的縫隙，使傘衣后部形成由許多小漩渦組成的分離氣流，小漩渦的隨機非定常運動使傘能夠在零攻角下穩(wěn)定工作[6]。穩(wěn)定下降時環(huán)帆傘氣流示意，如圖2所示。

圖1 環(huán)帆傘結構示意

圖2 穩(wěn)定下降時環(huán)帆傘氣流示意（A-A為剖面線）

2 大型環(huán)帆傘的代表之作

“百呎”系列環(huán)帆傘（CENTURY Series Ringsail Parachute）是由NASA載人航天中心（Manned Spacecraft Center，MSC）于1963年啟動的一項預研計劃，用于解決大型環(huán)帆傘設計和制造的相關問題，其背景是用于研制一種可替代“阿波羅”地球著陸系統(tǒng)（Apollo Earth Landing System，ELS）的降落傘，或是用于后續(xù)的重型航天器或星際探測器的著陸降落傘。諾斯羅普公司（Northrop）為該計劃一共設計了三種環(huán)帆傘，其名義面積分別為1 130m2、1 180m2、和1 210m2。其中1 180m2的降落傘是一個失敗的設計，其余兩種都是成功的設計。

在1964年，NASA啟動了名為“20K”的降落傘開發(fā)項目，即開發(fā)一種回收載荷為20 000lb（20K，即20×103）的降落傘，用于“阿波羅”飛船指令艙回收的備份模式。歐文公司（Irvin Aerospace Inc.）設計了一頂名義面積為2 620m2的環(huán)帆傘，試驗結果表明其阻力面積比預期的要大，所以又設計了一頂較小的環(huán)帆傘，其名義面積為2 460m2。到目前為止，2 620 m2的環(huán)帆傘應當是世界上單傘名義面積最大的環(huán)帆傘。

美國空軍新型一次性運載器計劃（Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV）是一項發(fā)展新一代運載工具的計劃，將用于中等和重型有效載荷的發(fā)射。在該項計劃的低成本概念驗證階段（Low Cost Concept Validation，LCCV），波音公司（Boeing）提出的方案是回收并重復使用昂貴的推進系統(tǒng)和航電系統(tǒng)。歐文公司為波音公司提供了降落傘回收系統(tǒng)。其中主傘為3具名義面積為1 350m2的環(huán)帆傘組成的群傘[7]。

K-1可重復使用運載器（K-1 Reusable Launch Vehicle）是Kistler Aerospace公司正在開發(fā)的世界上第一種完全可重復使用的商業(yè)運載工具。它包括兩級，第一級是發(fā)射輔助平臺（Launch Assist Platform，LAP），第二級是軌道器（Orbital Vehicle，OV）。運載器LAP回收示意見圖3（a）。歐文公司為K-1的兩級設計了通用的主傘，其中LAP的回收主傘是由兩套3個環(huán)帆傘系統(tǒng)組成的群傘，OV的回收主傘是一套三傘系統(tǒng)，單個主傘的名義面積為1 775m2[8]。

“獵戶座”飛船是為美國重返月球研制的最新一代的載人飛船，可以用于火星、小行星和深空探測任務（Beyond Earth Orbit Exploration）。能適應各種常規(guī)任務與載人飛行任務，包括支持登月任務、國際空間站的往返以及將來火星等行星往返任務[9]，“獵戶座”飛船的回收主傘仍然采用3個環(huán)帆傘組成群傘的形式，單個主傘的名義面積為982m2，由北美空降系統(tǒng)公司（Airborne Systems North American）負責研制和生產[10]?！矮C戶座”載人飛船回收示意見圖3（b）。

中國的“神舟”飛船主傘采用單傘形式，名義面積達到了1 200m2，傘型也是環(huán)帆傘，從1993年開始研制，經過了大量的地面試驗和空投試驗驗證，并經歷了多次改進，技術狀態(tài)逐漸固化，可靠性逐步增長，已經成功完成了多次載人飛行任務。“神舟”飛船回收示意見圖3（c）。大型環(huán)帆傘的性能比較見表1。

圖3 三種大型環(huán)帆傘

表1 大型環(huán)帆傘的性能比較

Tab.1 Performance comparison of large-scale ringsail parachute

3 技術發(fā)展

3.1 設計

3.1.1 傘衣側剖面形狀

環(huán)帆傘最初設計的截面形狀都是接近四分之一球形，當截面形狀為完全四分之一球形時，傘衣底邊截面處的夾角=60°，當四分之一球形截面進行微調時，夾角也會發(fā)生相應的變化。由于在傘衣設計中引入了張滿度，在開傘過程中發(fā)現傘衣充氣后有松弛和內折的現象。諾斯羅普公司在第一項“百呎”環(huán)帆傘（名義面積1 130m2）的設計過程中，將球形的環(huán)帆傘去掉了幾幅傘衣，形成了尖拱形截面的標準環(huán)帆傘設計。通過5次空投試驗的驗證表明，這種環(huán)帆傘的性能指標是滿足要求的。從1964年9月開始，在第二項“百呎”環(huán)帆傘（名義面積1 180m2）研制過程中，傘衣結構采用一種雙錐形側剖面，經過空投試驗和3次改型，發(fā)現在開傘過程中出現應力過度集中的現象，在低載荷條件下傘衣連續(xù)4次遭受破壞。試驗結果表明這種雙錐形截面環(huán)帆傘設計是不成功的。1965年9月，在總結了雙子星座、“阿波羅”和前期“百呎”環(huán)帆傘研制經驗的基礎上，開始了第三項“百呎”環(huán)帆傘（名義面積1 210m2）研制，傘衣側面回歸到了尖拱形截面，經過3次空投試驗結果表明，設計修改后的環(huán)帆傘完全符合驗收標準，代表了最佳性能的通用環(huán)帆傘。

歐文公司由于采用了不同的張滿度設計，從而解決了傘衣充氣后內折的問題，所以歐文公司在隨后的EELV、K-1和20K項目中環(huán)帆傘的設計仍然采用球形截面設計。

北美空降系統(tǒng)公司研制的“獵戶座”飛船主傘同樣采用了球形側剖面的傘衣形狀，通過張滿度的嚴格控制以及精確的裁剪和縫紉工藝來保證傘衣外形不變[11]。

以上介紹的6種大型環(huán)帆傘的側剖面形狀見表2。根據環(huán)帆傘側剖面形狀的不同，美國對“標準”環(huán)帆傘和“改型”環(huán)帆傘進行了定義?！皹藴省杯h(huán)帆傘是指結構側剖面為球形或尖拱形而沒有寬縫或類似改型的環(huán)帆傘?！案男汀杯h(huán)帆傘是指結構側剖面為錐形或雙錐形或者有寬縫結構的環(huán)帆傘。

表2 六種大型環(huán)帆傘的側剖面形狀

Tab.2 Planform constructed profiles of six large-scale ringsail parachutes

3.1.2 張滿度

環(huán)帆傘的傘衣幅結構示意圖見圖4所示，傘衣上部采用環(huán)縫結構，下部采用波環(huán)結構，為傘衣沿徑向的位置高度，R為傘衣沿徑向總高度，R可以表征傘衣沿徑向的相對位置。環(huán)帆傘沿著徑向張滿度系數發(fā)生變化，從而實現排氣口大小的控制。張滿度系數是指傘衣幅寬度與所在位置上傘衣幅理論寬度之比，張滿度系數減去1，并用百分數表示則稱為張滿度。其中傘衣片的上緣張滿度（A）定義為環(huán)（帆）片上緣尺寸相對于理論尺寸（根據傘衣側剖面形狀計算得到）的增大百分比，下緣張滿度（B）定義為環(huán)（帆）片下緣尺寸相對于理論尺寸的增大百分比。由于上下緣張滿度的不同，形成的月牙形的排氣孔，是環(huán)帆傘在結構上的重要特征。在充氣過程中，月牙縫起到輔助充氣口的作用，有利于提高充氣速度。在傘衣充滿后，月牙縫的存在使得氣流在流出傘衣過程中動量發(fā)生變化，增大了傘衣的阻力，同時，從月牙縫中流出的氣體阻止了傘衣外氣流的分離，增加了傘衣的穩(wěn)定性。

圖4 環(huán)帆傘傘衣幅示意

Edgar G. Ewing認為在環(huán)帆傘的頂部施加適當的張滿度，將有利于改善頂部傘衣的受力條件。然而，Phillip R.Delurgio卻認為，在傘頂取消張滿度，采用環(huán)縫傘的結構形式，不僅完全能夠滿足強度要求，而且對于消除傘衣內折，改善傘衣的充氣穩(wěn)定性都是有好處的[12]。與此對應，諾斯羅普公司根據Edgar G. Ewing的標準環(huán)帆傘理論設計的早期環(huán)帆傘中，傘頂都分布有較大的張滿度，而Phillip R.Delurgio所在的歐文公司設計的20K環(huán)帆傘頂部的張滿度則較小，到了EELV和K-1則徹底取消了傘頂的張滿度[13]。

在大部分的現代環(huán)帆傘設計中，都取消了傘衣底環(huán)的下緣張滿度，這對于改善傘衣的穩(wěn)定性是有好處的。

圖5給出上面介紹的諾斯羅普公司和歐文公司的5種大型環(huán)帆傘的的張滿度分布曲線，左、右圖分別為上、下緣張滿度。表3是相對應的張滿度數據。由于設計理念的差別，兩個公司在環(huán)帆傘張滿度的設計上有較大差別。

表3 五種大型環(huán)帆傘的張滿度

Tab.3 The fullness distribution of five large-scale ringsail parachutes

3.1.3 透氣量

降落傘的透氣量與降落傘的性能密切相關，所以透氣量是降落傘設計的一個重要參數，降落傘的透氣量由結構透氣量和織物透氣量兩部分組成。一般來說，增大透氣量有助于改善傘衣的穩(wěn)定性，以及降低開傘動載；減小透氣量將有助于增大阻力系數[14]。

對于環(huán)帆傘來說，在充滿狀態(tài)時帆與帆之間形成月牙形的排氣口，這就具有了結構透氣量，但環(huán)帆傘在平鋪狀態(tài)時帆與帆之間是沒有縫隙的，因此環(huán)帆傘在計算結構透氣量時，需要另行計算月牙形面積[15]。表4列出了“百呎”環(huán)帆傘的參考透氣量。

表4 “百呎”環(huán)帆傘的參考透氣量

Tab.4 Referenced porosity of CENTURY

早期設計的環(huán)帆傘一般選用的都是單一透氣量的材料，現代環(huán)帆傘設計為了進一步提高性能，已經開始在傘衣的不同部位選用不同透氣量的材料。在EELV和K-1主傘的設計中，在傘衣幅的上部、中部和下部分別采用了標準、中等和標準透氣量的傘衣材料。

3.2 使用材料

最初的大型環(huán)帆傘所使用的主要材料基本都是傳統(tǒng)的錦絲材料，因為錦絲材料具有強度高質量輕，抗沖擊能力強的優(yōu)點。隨著材料技術的發(fā)展，越來越多的高性能織物材料在環(huán)帆傘得到了應用，如Kevlar?、Vectran?、Spectra?、Nomex?和Teflon?等[16]。表5列出了四種大型環(huán)帆傘所使用的典型材料。越來越多的不同種類的材料在同一頂降落傘上使用，所以在設計之初就應該充分考慮不同種類材料伸長率差別的問題。

表5 幾種大型環(huán)帆傘的材料使用情況

Tab.5 The Material compositions of several large-scaled ringsail

使用邊強增強的織邊傘衣材料是早期環(huán)帆傘設計的一個特點，通過在傘衣邊緣15mm范圍內增加經紗的數量，來增加其強度，這種織邊傘衣有效減少了交叉縫，顯著降低了加工工作量。隨著噴氣織機等新式織機的出現以及降落傘傘衣材料市場的萎縮，使得這種邊強增強的織邊傘衣材料的加工成本大大增加，已經基本停產。作為替代辦法，現代環(huán)帆傘普遍采用了傘衣卷邊的結構形式，這雖然增大了降落傘加工的工作量，卻增加了傘衣環(huán)向強度，減小了傘衣顫振。通過火箭撬試驗證明，與織邊傘衣材料相比，采用卷邊結構后，傘衣后緣顫振減少了45%～60%，而對前緣顫振沒有明顯效果。

3.3 加工

早期的環(huán)帆傘的傘衣的加工裝配基本是按照Edgar G. Ewing的方法進行的，即首先裁剪傘衣環(huán)（帆）片，在環(huán)（帆）片的前后緣縫紉加強帶，再用垂直帶和徑向帶將一幅傘衣組裝在一起，形成一個完整的傘衣幅，最后將不同的傘衣幅在徑向帶上通過卷縫形成完整的傘衣。圖6表示了Edgar G. Ewing和EELV的徑向帶與徑向帶之間的主縫合部示意圖。從EELV的主縫合部示意圖可以看出，EELV的傘衣的基本裝配方法已經與Edgar G. Ewing的方法不同了，即首先將同一環(huán)（帆）的傘衣片通過卷縫形成完整的環(huán)（帆），然后再通過在傘衣拼縫的上下方縫制徑向帶，形成完整的傘衣。

圖6 環(huán)帆傘主縫合部

3.4 包傘

長條形折疊是傘衣最常用的折疊方法，能滿足基本的工況條件，采用何種傘衣折疊方式，開傘的相對速度是最主要的考慮因素。大型降落傘在高速開傘的條件下，對傘衣開傘的可靠性、開傘的可再現性以及傘衣的重復使用等方面都提出了更高的要求，這就需要考慮新的傘衣折疊方法。如圖7所示，雙S折疊方法和四層折疊方法的主要優(yōu)點是傘衣展開迅速，而且同步性好，這對于有最小打開時間要求的降落傘，比如逃生系統(tǒng)的降落傘，這種傘衣折疊技術在形成充氣口的速度上是最快的。當開傘對稱性要求很高，而且有重復使用要求時，比如大型傘和群傘，這種傘衣折疊技術可以將超前滯后開傘載荷因子，以及損傷因子降低到最小。

圖7 傘衣折疊方法

4 群傘使用

隨著回收質量的不斷增加，很難靠單純地增加降落傘的面積來滿足使用要求，采用多個傘組成的群傘成為一種必然的選擇。從可靠性的角度考慮，群傘系統(tǒng)的可靠性也要高于單傘系統(tǒng)。群傘方案對單傘的傘型沒有特殊要求，但是同樣是從可靠性角度出發(fā)，應用于航天領域的群傘項目的單傘大多采用環(huán)帆傘。

雖然群傘已經取得了成功并廣泛的應用，但是由開傘不同步引起的問題仍然困擾著群傘的設計[17]?！鞍⒉_”地球著陸系統(tǒng)（The Appllo Earth Landing System）主傘在研制過程中為了解決開傘的不同步問題，進行了大量的地面和空投試驗，最終也沒有能對此問題進行滿意的解決[18]。“獵戶座”主傘也經歷了多次結構設計更改，在傘衣上增加了“開窗”、“開縫”、“超級帆”的結構設計，如圖8所示，通過降低阻力面積，增加透氣量的方式提高群傘系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性[19]。

圖8 “開窗”、“開縫”、“超級帆”示意

從百呎環(huán)帆傘和K-1等群傘的開傘載荷曲線上可以看出，初始充氣階段各傘之間的充氣的同步性相對來講是比較好的。隨后在收口階段和解除收口階段，充氣的不同步逐漸擴大[20]，造成這種擴大的原因，有收口階段充氣不同步的累積，有收口繩切割器延時的誤差，有解除收口后充氣的進一步不同步。群傘在初始充氣完成后，已經很難對其充氣過程進行控制了，各個傘衣完全是自由的進行各自的充氣，因此，除了在傘衣的結構強度方面設置較大的安全裕度，提高各個傘衣承受載荷的能力外，很難對群傘的解除收口階段的充氣同步性進行控制了。而只能通過一些措施改進群傘在初始充氣階段充氣的同步性，比如整體傘包設計（如K-1），即將多個主傘包捆扎在一起，使得主傘包同時拉出傘艙，同時解除封包，傘衣底邊同時拉出傘包，保證傘衣底邊同時進行充氣[21]。在包傘技術上，為了改善各個傘衣之間展開、充氣的同一性，可以采用雙S折疊或四層折疊等傘衣折疊技術。在傘頂增加傘頂控制帶，在傘衣底邊設置收邊帶等措施[22]，對于促進傘衣充氣的同步性也有一定幫助。

群傘的阻力系數通常是要低于單傘的阻力系數。表6列出了幾種群傘與單傘的阻力系數對比。從表6中的數據可以得到粗略的估計，雙傘系統(tǒng)的阻力系數是單傘的95%左右，三傘系統(tǒng)的阻力系數是單傘的85%左右。

表6 群傘與單傘的阻力系數對比

5 結束語

本文介紹了環(huán)帆傘的特點，對國內外幾種應用在航天領域的名義面積超過900m2的大型環(huán)帆傘進行了回顧，重點對環(huán)帆傘設計技術的發(fā)展和改進進行了研究，對群傘使用情況進行了探討，尤其是開傘不同步的問題，并提出了提高充氣同步性的建議，這對于我國新一代載人飛船群傘技術的研究具有重要的參考意義。基于群傘使用的大型環(huán)帆傘接下來的研究工作，重點可以在以下幾個方面進行探索：

1）以不同傘衣結構（側剖面形狀、張滿度、透氣量）形式的環(huán)帆傘為研究對象，開展仿真計算，研究其阻力特性和穩(wěn)定特性；

2）追蹤高性能柔性織物材料的發(fā)展，材料性能的提升會帶來設計方案的變革；

3）借鑒國外的經驗，解決環(huán)帆傘加工過程中的難題；

4）通過整體傘包設計、采用雙S折疊或四層折疊等傘衣折疊設計、傘頂增加傘頂控制帶等技術改進群傘充氣的同步性、進而提高開傘同步性。

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Overview of the Technology and Development of Ringsail Parachute

JIA Huaming1,2YANG Xia1LI Shaoteng1NIU Guoyong1LIN Ruling1LIU Naibin1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）

The ringsail parachute has the characters of opening reliability, low opening shock and damage tolerance. It has been widely applied in manned space recovery system. In order to fully understand and track the development of ringsail parachute technology, especially the large-scale parachute technology based on chute cluster, this paper analyzes the structural characteristics of the ringsail parachute, and summarizes the successful application of ringsail parachute in aerospace, it is proved that ringsail parachute is the first choice for large parachute, especially for chute cluster of manned space. Furthermore, the paper also reviews the design improvement process of the ringsail parachute, including the shape of the planform constructed profile, fullness, permeability, materials, manufacture and packing. Finally, the use of chute cluster is discussed, especially the problem of asynchronous parachute opening, and suggestions to improve the synchronization of inflation are put forward, which has important reference significance for the research of new generation manned spacecraft chute cluster technology in china.

recovery system; ringsail parachute; planform constructed profile fullness; chute cluster; manned space

V445.2＋3

A

1009-8518(2021)03-0041-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.005

2020-08-27

國家重大科技專項工程

賈華明, 楊霞, 李少騰, 等. 環(huán)帆傘技術與發(fā)展綜述[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(3): 41-51. JIA Huaming, YANG Xia, LI Shaoteng, et al. Overview of the Technology and Development of Ringsail Parachute[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 41-51. (in Chinese)

賈華明，男，1978年生，2005年獲天津工業(yè)大學材料科學與工程專業(yè)碩士學位，現從事降落傘設計及高性能柔性材料研究工作。E-mail：jiahuam@163.com。

（編輯：陳艷霞）