“天問一號”降落傘材料性能分析與試驗研究

黃明星，高樹義，王立武，王文強，李 健

（北京空間機電研究所, 北京 100094）

引 言

火星探測是當前太陽系行星探測的焦點，自從前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆火星探測器以來，火星探測已有近60年的發(fā)展歷史。特別是20世紀90年代以來，基本每次發(fā)射窗口均有火星探測器發(fā)射。2020年，中國、美國、阿聯(lián)酋均發(fā)射了火星探測器。繼美國“毅力號”（Perseverance）在2021年2月18日成功著陸火星，中國的“天問一號”也在2021年5月15日首次實現(xiàn)火星著陸。各國的火星探測任務(wù)總計49項，探測方式從飛越到環(huán)繞遙感探測， 再到無人著陸器或火星車探測[1-6]。

在火星探測著陸過程中，一般分為氣動減速、傘系減速、動力減速和著陸緩沖4個階段[7]，,在目前成功著陸火星的探測器中，傘系減速階段均使用盤縫帶傘。盤縫帶傘的傘衣部分是由“盤”“帶”兩部分組成[7]?；鹦墙德鋫愕拈_傘條件具有超聲速、低密度、低動壓的特點，工作過程從開傘時的超聲速段，經(jīng)歷跨聲速、亞聲速，到達脫傘前的低速，而盤縫帶傘是典型的超聲速、低密度降落傘傘型，在火星開傘條件下有著較好的減速和穩(wěn)定性能[9]。

降落傘材料是實現(xiàn)其功能，保證降落傘的安全裕度的決定性因素。本文基于“天問一號”火星降落傘的工作環(huán)境和探測器的約束條件，從降落傘結(jié)構(gòu)和材料發(fā)展、質(zhì)量特性、環(huán)境適應(yīng)性3個方面對火星降落傘的功能性能進行分析說明，可為后續(xù)深空探測降落傘的材料設(shè)計提供參考。

1 火星降落傘環(huán)境和力學(xué)條件

中國首次火星探測器在海南文昌由“長征五號”運載火箭發(fā)射，經(jīng)地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、環(huán)火飛行、火星大氣進入及軟著陸、表面巡視等過程[10]，實現(xiàn)全面而綜合的火星探測，火星降落傘在各飛行階段環(huán)境剖面見表1所示。

表1 降落傘環(huán)境剖面分析Table 1 Analysis of parachute environmental profile

火星探測器發(fā)射后進入深空真空環(huán)境和火星大氣，降落傘經(jīng)歷的溫度環(huán)境變化范圍為（-120～+80）°C，在傘系減速階段，火星降落傘由彈傘筒彈出，降落傘拉直后逐漸充滿，充滿載荷最大約為133 kN。

從表1可以看出，火星降落傘經(jīng)歷的環(huán)境條件與“神舟”飛船降落傘、“嫦娥五號”降落傘等有很大的不同，降落傘需要經(jīng)歷約10個月的在軌環(huán)境，降落傘的溫度變化為（-120～+80）°C，這對降落傘材料的環(huán)境適應(yīng)性提出更高的要求。雖然待發(fā)射段為高溫高濕高鹽環(huán)境，但此時降落傘是以包裝狀態(tài)安裝在探測器內(nèi)，其受外界環(huán)境影響較小。降落傘的開傘力學(xué)環(huán)境由全系統(tǒng)的空投試驗進行考核，文中僅對高低溫、壓力包裝、長期在軌貯存環(huán)境條件進行分析驗證。

另外，為了滿足火星穩(wěn)降速度要求，降落傘的名義面積至少為200 m2，而由于探測器對降落傘安裝體積和總質(zhì)量的限制，降落傘組件總質(zhì)量不超過40 kg，包裝體積不超過61.5 L。降落傘需要折疊后高壓包裝于傘包內(nèi)，包裝密度約0.65 kg/L。而“神舟”飛船主傘和“嫦娥五號”主傘的包裝密度均在0.5 kg/L左右。高強度需求和總質(zhì)量限制決定了降落傘應(yīng)該采用比強度高材料，并且耐壓性能良好。

2 降落傘結(jié)構(gòu)及材料

2.1 盤縫帶傘結(jié)構(gòu)

盤縫帶傘最初是由Eckstrom為滿足19世紀60年代的探空火箭對高空大氣測量需求而提出并設(shè)計的，由于降落傘傘衣采用不透氣的鍍鋁材料，為增加降落傘的穩(wěn)定性，在頂部和中部設(shè)計了孔和縫[11-12]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，由傘衣和傘繩組成。其中傘衣部分包括“盤”“帶”兩部分，“盤”和“帶”中間有較寬縫隙將兩者垂直分開。從縫隙經(jīng)過的氣流能夠起到穩(wěn)定傘衣后部流場作用，見圖1所示，其中DV、DD、DB分別為頂孔直徑、盤直徑、帶直徑。HG、HB分別為“縫”高度、“帶”高度，LS為傘繩長度，盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。根據(jù)“盤”“縫”“帶”部分的比例，其主要分為Viking型及MPF型[13]，兩種傘型結(jié)構(gòu)對比見表2所示。

表2 盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)對比Table 2 Structural parameters of DGB parachutes

圖1 盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig. 1 Construction parameters for a DGB(Disk-Gap-Band) parachute

盤縫帶傘一般由較多的傘衣幅組成，傘衣幅頂部呈三角形，底部呈矩形，如圖2所示[8]。傘衣幅包括頂孔繩、頂孔加強帶、徑向帶、緯向加強帶、底邊加強帶和盤幅、帶幅組成。為了提高降落傘傘衣的抗撕裂能力，盤幅一般由多片斜裁的綢布縫合而成，盤幅片經(jīng)線與傘衣幅中心線成45°，而帶幅片經(jīng)線一般沿著傘衣幅中心線。

圖2 盤縫帶傘傘衣幅結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Diagram of DGB parachute gore

2.2 降落傘材料

降落傘所用紡織材料按組織形態(tài)可分為綢布類、繩類、帶類和縫線類4種，各類材料的纖維又可分為棉纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維、芳族聚酰胺纖維、超高強聚乙烯纖維等。各類纖維的性能參數(shù)如表3所示[14-15]。

表3 降落傘織物纖維性能參數(shù)Table 3 Parachute fabric fiber performance parameters

從表3可以看出，比強度高的纖維為芳綸類、芳Ⅲ類和超高強聚乙烯纖維，而超高強聚乙烯纖維的安全使用溫度較低，不適合在火星降落傘上使用。斷裂伸長率最高的為錦綸材料，由于其變形大，非常適合用作傘衣以傳遞開傘過程的載荷。

從“海盜號”（Viking）火星探測器到2021年2月成功著陸火星的“毅力號”火星探測器，對美國歷次火星探測器降落傘材料、結(jié)構(gòu)、強度進行對比分析，結(jié)果見表4～5所示[3,16-20]。

表4 國外火星探測器降落傘材料及結(jié)構(gòu)Table 4 Parachute materials and structure of Mars rovers aboard

表5 國外火星探測器降落傘材料強度Table 5 Parachute materials strength of Mars rovers aboard

從表4～5可以看出，火星降落傘傘衣材料從Dacroon轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏雀汀⒆冃胃蟮腘ylon材料，并且“毅力號”傘衣材料為適應(yīng)更大的開傘載荷，采用的Nylon傘衣比強度更高。降落傘傘繩、徑向帶及加強帶從Dacroon轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸雀叩腒evlar和Technora，其中，Technora相比于Kevlar，密度更小。

“毅力號”探測器雖然采用MSL型降落傘，但因設(shè)計載荷增大，降落傘關(guān)鍵承力部位材料都進行了加強設(shè)計，未來火星探測降落傘材料正朝著更強更輕的方向發(fā)展。

根據(jù)火星降落傘的約束條件、強度需求和環(huán)境條件，火星降落傘的傘衣材料選用錦綸材料、在關(guān)鍵承力部位大量采用較芳綸比強度更高的芳Ⅲ材料，同等強度條件下，芳Ⅲ材料的密度更小，“天問一號”降落傘的材料參數(shù)見表6所示，因高強芳Ⅲ類帶的工藝目前還不夠穩(wěn)定，故頂孔加強帶及底邊加強帶仍采芳綸材料。

表6 “天問一號”火星降落傘材料參數(shù)Table 6 Material parameters of Tianwen-1 Mars parachute

3 降落傘質(zhì)量特性分析

3.1 芳Ⅲ材料質(zhì)量性能

在進行火星降落傘設(shè)計時，不僅要保證有足夠的安全裕度，也要盡可能降低重量。當降落傘關(guān)鍵承力部位分別采用芳綸材料和芳Ⅲ材料時，降落傘的總質(zhì)量（僅包括降落傘，不含金屬件、連接帶等）變化如表7所示。

表7 各方案火星降落傘材料及總重Table 7 Parachute materials and total mass

各方案的降落傘總質(zhì)量和減重百分比見圖3所示。相比于方案1，在承力部位采用芳Ⅲ材料代替芳綸材料，最大可以減重約8.3 kg，減重達到方案1總質(zhì)量的23%，可見新材料的減重效果非常明顯。

圖3 各方案的降落傘質(zhì)量及減重比例Fig. 3 Parachute quality and mass reduction ratio

3.2 不同濕度下質(zhì)量變化

降落傘材料在不同的濕度環(huán)境下會吸收或釋放其中水分，從而引起降落傘總質(zhì)量的改變。降落傘從加工生產(chǎn)環(huán)境，到海南高濕度的總裝環(huán)境，再到在軌真空零濕度環(huán)境，其經(jīng)歷的濕度變化范圍為0%～90%，為了衡量降落傘的質(zhì)量變化，避免對彈射過程造成明顯影響，對降落傘各材料展開了濕度試驗。

火星降落傘材料中錦綸、芳綸、芳Ⅲ占總質(zhì)量百分比約為41%、28%、31%，按此比例選取試驗材料的質(zhì)量，將試驗材料依次放置在相對濕度為7.7%、30.0%、60.0%、90.3%的溫濕度試驗箱內(nèi)，試驗溫度為23°C，經(jīng)歷48 h后進行稱重，試驗條件及結(jié)果表8。材料的質(zhì)量變化曲線如圖4所示。

圖4 質(zhì)量變化曲線Fig. 4 Mass change curve

表8 濕度試驗條件和結(jié)果Table 8 Humidity test conditions and results

對降落傘3類材料的質(zhì)量變化率和相對濕度進行線性擬合，擬合公式為dm = p1×RH + p2。其中：dm為質(zhì)量變化率；RH為相對濕度；p1、p2分別為擬合系數(shù)，擬合結(jié)果見圖5及表9所示。

圖5 質(zhì)量變化擬合結(jié)果Fig. 5 Fitting results of mass change

表9 線性擬合系數(shù)Table 9 Linear fitting coefficient

擬合相關(guān)系數(shù)平方均大于0.95，說明線性擬合的效果較好。芳綸材料與錦綸材料的吸濕性能基本相同，而芳Ⅲ材料的標準吸濕率約為1%，明顯小于芳綸和錦綸，芳Ⅲ材料的應(yīng)用減小了降落傘重量在不同濕度環(huán)境下的變化范圍。

降落傘的加工環(huán)境相對濕度約為30%～45%，在軌真空環(huán)境中相對濕度為0%，海南發(fā)射場暴露環(huán)境相對濕度約為90%，根據(jù)各類材料在不同濕度下的質(zhì)量變化率，可得到不同環(huán)境下降落傘的質(zhì)量變化，如表10所示。在海南發(fā)射前，濕度引起的降落傘最大增加質(zhì)量約為1.1 kg，降落傘彈射前質(zhì)量最小為39.2 kg，對彈傘過程影響很小。

表10 不同環(huán)境下降落傘質(zhì)量變化Table 10 Changes in the quality of parachutes in different environments

4 降落傘材料環(huán)境適應(yīng)性試驗分析

火星降落傘需要在高密度包裝狀態(tài)下，隨探測器在地火軌道和環(huán)火軌道運行約10個月，在進入火星大氣后充氣展開對探測器進行減速，為了保證火星著陸時降落傘的性能滿足要求，需要對降落傘材料的高低溫性能、耐壓性能、長期貯存后性能展開研究。

4.1 高低溫下的材料性能

火星降落傘經(jīng)歷的溫度環(huán)境范圍為（-120～+80）°C，考慮到一定的設(shè)計裕度，在進行試驗時低溫段擴展15°C，取為（-135～+80）°C，具體試驗工況如表11所示，試驗件分為芳綸、錦綸、芳Ⅲ共3類，試驗件在相應(yīng)的工況下保溫20 min后進行靜力強度試驗。

表11 高低溫試驗工況Table 11 High and low temperature tests conditions

降落傘材料每個溫度點均有3件試驗件，對其取平均值后作為該材料的強度值，各材料高低溫試驗后強度與材料的標稱強度之比曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下材料強度Fig. 6 Material strength at different temperatures

錦綸材料隨著試驗溫度的增加，強度呈明顯下降趨勢，而芳綸和芳Ⅲ材料強度先增加后減小，說明錦綸材料對高溫比較敏感，而極限低溫對芳綸和芳Ⅲ材料的影響更大。除芳Ⅲ材料在-130 °C條件下，材料強度最低下降為標稱強度的95%，其它材料在各溫度下強度均大于標稱值。由于降落傘的設(shè)計系數(shù)較大，芳Ⅲ材料強度下降5%并不會影響降落傘的工作可靠性。

4.2 壓力包裝下材料性能

由于降落傘的包裝體積限制，其包裝密度已經(jīng)達到了0.65 kg/L，遠大于其它成熟航天器的包傘密度，不僅給包裝過程帶來很大困難，而且可能對降落傘材料造成損傷，增加在火星著陸過程風(fēng)險。

為了獲取高密度包裝狀態(tài)對降落傘材料的影響，將降落傘各類材料置于1個模擬傘包中，加壓包裝使其包裝密度為0.7 kg/L，然后將試驗傘包置于庫房常溫環(huán)境中（參見表12）。因為傘包內(nèi)壓力會隨著時間推移而趨于均勻，時間增加并不加劇其影響，故傘包只靜置3個月，然后對各類材料進行靜力強度試驗。

表12 高壓包裝工況Table 12 High-pressure packaging conditions

各材料試驗后平均強度與材料的標稱強度之比曲線如圖7所示，其中復(fù)驗值為在降落傘加工前材料進行的常溫靜力試驗結(jié)果。

圖7 高壓包裝后材料強度Fig. 7 Material strength after high-pressure packaging

降落傘材料在經(jīng)歷90天的高壓包裝后，降落傘材料強度均大于相應(yīng)材料的標稱強度，并且降落傘材料高壓包裝后平均強度與復(fù)驗值變化不大，最大下降為3%，說明降落傘材料強度對壓力包裝并不敏感。

4.3 長期貯存下材料性能

為了模擬降落傘的真實在軌環(huán)境，真空罐的壓力低于1.3×10-3Pa，按降落傘在軌溫度曲線對真空罐內(nèi)溫度進行控制，如圖8所示。溫度低于30 °C時不再進行控制，真空罐溫度與試驗室一致，約為25 °C。

圖8 長期貯存試驗溫度曲線Fig. 8 Temperature curve of long-term storage test

試驗件包括降落傘材料和全尺寸產(chǎn)品，試驗件均處于高密度包裝狀態(tài)，其中全尺寸產(chǎn)品與真實產(chǎn)品狀態(tài)一致。試驗結(jié)束后對降落傘材料進行強度試驗，而全尺寸產(chǎn)品則展開了彈射試驗和空投試驗驗證。結(jié)果表明：降落傘產(chǎn)品在經(jīng)歷長期在軌環(huán)境貯存后，拉直及充氣過程正常，產(chǎn)品完好；降落傘材料長期貯存后平均強度與材料的標稱強度之比如圖9所示。

圖9 長期貯存后材料強度Fig. 9 Material strength after long-term storage

降落傘材料在經(jīng)歷約10個月的長期貯存后，其強度均大于相應(yīng)材料的標稱強度。相比于復(fù)驗值，錦綸材料和芳綸材料長期貯存后平均強度分別下降5%和13%，芳Ⅲ材料長期貯存后強度上升9%，一方面降落傘紡織材料強度具有較大的離散性，另一方面也說明長期的地火空間環(huán)境對降落傘材料和產(chǎn)品性能的影響有限。

5 結(jié) 論

本文首先對火星降落傘經(jīng)歷的環(huán)境和力學(xué)條件進行對比分析，火星降落傘與“神舟”等航天器降落傘不同，其將面臨深空高低溫環(huán)境、高密度包裝和長期在軌貯存等挑戰(zhàn)。然后對目前常用降落傘材料進行介紹，分析了盤縫帶傘結(jié)構(gòu)和美國歷次火星探測器降落傘材料，提出了火星降落傘材料的選用原則，并分析了“天問一號”火星降落傘的材料應(yīng)用情況。

“天問一號”降落傘大量采用高比強度的芳Ⅲ材料，最大可減重約8.3 kg。根據(jù)降落傘材料在不同濕度下的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在海南發(fā)射前，濕度引起的降落傘最大質(zhì)量增加約為1.1 kg；降落傘彈射前質(zhì)量減輕約為0.8 kg，對彈傘過程影響很小；芳Ⅲ材料的吸濕率低，減小了降落傘重量在不同濕度環(huán)境下的變化。

最后分別對降落傘材料在高低溫極端環(huán)境、高密度包裝和長期在軌貯存條件的力學(xué)性能進行試驗驗證，表明：錦綸材料對高溫比較敏感，而極限低溫對芳綸和芳Ⅲ材料的影響更大；降落傘材料在高壓包裝后強度與復(fù)驗值變化不大，說明高密度包裝對強度影響有限；在經(jīng)歷約10個月的長期貯存后，錦綸材料和芳綸材料長期貯存后強度平均值分別下降5%和13%，芳Ⅲ材料長期貯存后強度上升9%。降落傘材料在經(jīng)歷各類環(huán)境條件后，強度仍能滿足工作要求。