航天器降落傘回收系統(tǒng)典型故障案例淺析

黃 偉

(1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)實驗室，北京 100094)

1 引言

對于進(jìn)入/返回式航天器而言，由于降落傘具備減速效率高、占用空間小、重量輕等優(yōu)點，因此航天器進(jìn)入被大氣所包圍的星體時，采用降落傘進(jìn)行氣動減速，保證其在星體表面安全著陸是最為廣泛的技術(shù)手段。降落傘回收系統(tǒng)是否正常工作直接影響航天器安全著陸，對整個航天器飛行任務(wù)的成敗起到?jīng)Q定性作用。在航天器減速下降過程中，降落傘回收系統(tǒng)的工作過程是不可逆的，即使如載人飛船設(shè)置有備份降落傘，在由主份切換到備份的過程中，飛船返回艙的高度也一直下降，即安全救生高度一直在損失中。因此，降落傘回收系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

在全球航天技術(shù)發(fā)展歷程中，出現(xiàn)過一些降落傘回收系統(tǒng)的故障問題，輕則影響工程進(jìn)度，帶來一定成本損失，重則導(dǎo)致航天器回收失敗，甚至航天員犧牲，代價巨大。對航天器降落傘回收系統(tǒng)的故障問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，有利于提升航天器降落傘回收系統(tǒng)可靠性設(shè)計和風(fēng)險控制水平。本文對此進(jìn)行初步探討，結(jié)合航天器降落傘回收系統(tǒng)的主要工作環(huán)節(jié)，對國內(nèi)外航天器降落傘回收系統(tǒng)出現(xiàn)過的一些典型故障問題進(jìn)行梳理歸納，旨在對航天器降落傘回收系統(tǒng)的設(shè)計和風(fēng)險控制提供有益參考。

2 典型工作環(huán)節(jié)

根據(jù)航天器不同的功能特點、工作條件、指標(biāo)要求、設(shè)計約束等因素，采取的降落傘回收系統(tǒng)方案也多種多樣，但一般而言，降落傘回收系統(tǒng)主要由降落傘、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、回收控制、火工裝置等組成，共同實現(xiàn)降落傘安裝、開傘控制、彈射、拉直、充氣、穩(wěn)定減速等一系列功能，其中降落傘需根據(jù)任務(wù)需求選擇合適的傘型、數(shù)量、收口狀態(tài)設(shè)置等技術(shù)狀態(tài)或技術(shù)參數(shù)。本文將航天器降落傘回收系統(tǒng)的典型工作環(huán)節(jié)歸納為表1所示的11項。

表1 航天器降落傘回收系統(tǒng)典型工作環(huán)節(jié)Table 1 Typical phases of spacecraft parachute recovery system

3 典型故障案例分析

3.1 開傘控制故障

在降落傘回收系統(tǒng)方案設(shè)計中，需要根據(jù)航天器的進(jìn)入/返回彈道特點，選擇合理可行的開傘控制方法。目前常用的開傘控制方法主要包括純時序控制、過載時間控制、壓力高度控制、雷達(dá)高度控制、基于速度或動壓的自適應(yīng)開傘控制等。開傘控制用于判斷開傘時機(jī)，是降落傘工作的前提，必須確保安全可靠。

開傘控制故障主要涉及到相應(yīng)的控制器或者敏感器。例如，美國于2001年1月7日發(fā)射的起源號探測器，于2004年9月8日攜帶采集樣本的返回艙在進(jìn)入地球大氣的過程中降落傘沒有打開，返回艙硬著陸損壞。起源號返回艙采用過載時間的開傘控制方案，事故調(diào)查組經(jīng)過一系列的檢查和故障分析，最終得出的結(jié)論是過載開關(guān)設(shè)計、安裝錯誤，反向180°，見圖1所示。這個錯誤應(yīng)屬較低層次的問題，除了設(shè)計中對加速度朝向的設(shè)定反向外，測試不充分，過程管控不到位也是重要因素。

圖1 起源號過載開關(guān)方向錯誤[1]Fig.1 G-switch of Genesis was designed and placed in wrong direction[1]

3.2 彈射分離故障

航天器降落傘回收系統(tǒng)的第一級降落傘一般都是采用彈射器、彈傘筒等火工裝置實現(xiàn)彈射分離，使降落傘傘包迅速離開航天器，并為降落傘的拉直創(chuàng)造條件，減輕繩帆現(xiàn)象的影響，避免尾流影響甚至被負(fù)壓作用而無法正常分離。其對應(yīng)的典型故障一方面是火工裝置產(chǎn)品未正常工作，另一方面是彈射分離速度達(dá)不到安全開傘的需要。因此，除了確保相關(guān)產(chǎn)品安全可靠外，這個工作環(huán)節(jié)最為關(guān)注的是確定并實現(xiàn)足夠的彈射分離速度。

3.3 拉直故障

彈射后，降落傘的吊帶、傘繩、傘衣依次從傘包中拉出，直到拉直狀態(tài)，從而為充氣創(chuàng)造條件。降落傘拉直過程正常與否與包傘設(shè)計密切相關(guān)，必須保證降落傘有序逐步拉出。拉直過程必須確保開傘通道順暢，如果拉直過程中傘包與前體結(jié)構(gòu)碰撞或鉤掛，會帶來非常不利的影響。

例如，1982年3月22日發(fā)射的第3架航天飛機(jī)STS-3，在其2個固體火箭助推器回收時，右側(cè)助推器的1個主傘失效，本應(yīng)是3個主傘形成的群傘變成了只有2個主傘作用，導(dǎo)致助推器降落速度過大，損壞嚴(yán)重。經(jīng)故障調(diào)查和分析，導(dǎo)致1個主傘失效的主要原因是主傘的拉直環(huán)節(jié)不合理。助推器采用減速傘分離同時拉出主傘包的方案，而減速傘是通過助推器分離的截椎體艙段來拉動主傘包。主傘包拉直過程中截椎體并非理想的穩(wěn)定姿態(tài)，而是存在較大的擺動角，從而會與主傘包發(fā)生碰撞，導(dǎo)致主傘包出現(xiàn)了局部損傷。主傘拉直過程因而不夠平順，并促使群傘間頂部附加的漂浮裝置發(fā)生纏繞，進(jìn)而導(dǎo)致故障傘頂孔繩受力不均而斷裂，斷裂的頂孔繩抽打到頂孔帶，導(dǎo)致其損壞并繼而擴(kuò)展到一系列水平帶破壞。2019年歐空局EXOMARS探測器降落傘高空開傘試驗先后2次都出現(xiàn)了故障。其減速傘、主傘均發(fā)生了傘衣充氣張滿前破損的情況，根據(jù)其降落傘系統(tǒng)方案，可以初步判斷故障大概率發(fā)生在降落傘拉直環(huán)節(jié)。以上故障的出現(xiàn)，除了降落傘拉直環(huán)節(jié)的設(shè)計考慮不夠充分外，與對拉直過程高速動態(tài)響應(yīng)導(dǎo)致的姿態(tài)變化、多體碰撞、摩擦問題的仿真分析難以精確量化有關(guān)。

3.4 充氣故障

充氣過程是降落傘最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是降落傘工作過程中最為復(fù)雜的階段。充氣過程降落傘的載荷、氣動特性急劇變化，涉及到高速柔性大變形結(jié)構(gòu)在非定常流場下的動力學(xué)問題，對于一般采用倒拉法開傘的航天器，降落傘的最大載荷往往發(fā)生在充氣張滿時刻。因此，降落傘的充氣是容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，主要包括降落傘收口控制故障、降落傘充氣破損故障等。

例如，美國阿波羅飛船降落傘回收系統(tǒng)在研制過程的各類試驗中先后出過不少問題，其中比較嚴(yán)重的一次是在空投試驗中，1個主傘在解除收口的充氣過程中損壞，其原因是傘衣強(qiáng)度不足，后續(xù)對降落傘結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計加強(qiáng)，從而使該問題得以解決。美國航天飛機(jī)進(jìn)行助推器降落傘回收系統(tǒng)空投試驗時，出現(xiàn)過減速傘充氣損壞的故障，原因是收口繩固定帶被拉脫，收口繩通過4個切割器固定，導(dǎo)致收口狀態(tài)過充，收口繩被拉斷，繼而傘衣過早充氣到第二級收口狀態(tài)，降落傘傘衣破損。美國獵戶座飛船研制初期，在降落傘系統(tǒng)空投試驗中，先后發(fā)生收口繩切割器由于安裝角度問題導(dǎo)致啟動故障、收口環(huán)固定故障、收口環(huán)擠壓損傷、傘繩損傷等多種問題，大部分都發(fā)生在降落傘充氣過程，尤其是收口控制問題較為突出。

2004年，NASA針對后續(xù)火星探測大面積亞聲速降落傘(直徑為33.4 m環(huán)帆傘)開展了3次高空氣球投放試驗。第一次試驗降落傘未能正常充氣到收口狀態(tài)，解除收口后，傘衣充氣損壞。經(jīng)分析，故障原因是傘衣牽頂繩未正常拉直即損壞，引起頂部反彈，導(dǎo)致充氣時傘衣纏繞。采取改進(jìn)措施后，第二次試驗降落傘依然出現(xiàn)充氣過程纏繞并導(dǎo)致解除收口后開傘載荷較大，從而傘衣破損的故障。經(jīng)分析，故障原因是傘衣牽頂繩雖正常拉直，但強(qiáng)度依然不夠而導(dǎo)致?lián)p壞。最后一次高空投放試驗，降落傘出現(xiàn)收口控制失效的問題，2個收口環(huán)和1個收口繩切割器被異常拉脫，幸運的是傘衣強(qiáng)度設(shè)計余量較大，從而未出現(xiàn)明顯破損。

2014年，NASA低密度超聲速減速器項目開展了系統(tǒng)級的高空投放試驗。試驗?zāi)Ｐ褪紫日归_超聲速充氣式減速器，之后彈射出氣球傘作為引導(dǎo)傘，并拉出大面積火星超聲速降落傘，該傘是一種新型的結(jié)合常規(guī)環(huán)帆傘和盤縫帶傘特征的盤帆傘，名義直徑為30.5 m。試驗中充氣式減速器和氣球傘均正常工作，但盤帆傘工作故障，在充氣階段傘衣破損嚴(yán)重，如圖2所示。經(jīng)分析，故障是因為該新型盤帆傘的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計不合理，初始充氣時傘衣“盤”部分的局部應(yīng)力超出了材料強(qiáng)度，從而發(fā)生破損。

圖2 美國新型盤帆傘充氣破損[11]Fig.2 Canopy damage in the inflation process of American new Disksail parachute[11]

由以上故障案例可知，降落傘充氣過程出現(xiàn)問題的情況較多，與該過程的復(fù)雜湍流和柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性有關(guān)。因此，目前工程上一般是采用基于試驗數(shù)據(jù)修正的半經(jīng)驗半理論方法，而不同傘型、不同尺寸、不同開傘條件對應(yīng)的充氣過程關(guān)鍵參數(shù)有明顯差異。近年來，基于流固耦合等方法對降落傘充氣過程進(jìn)行的數(shù)值仿真得到了較好的規(guī)律性結(jié)果，但還需進(jìn)一步提高仿真精度。

3.5 穩(wěn)降過程故障

降落傘充氣張滿后對航天器發(fā)揮穩(wěn)定減速作用，從而達(dá)到穩(wěn)降狀態(tài)。此階段需要注意降落傘與航天器構(gòu)成的組合體是否具備良好的運動穩(wěn)定性。阿波羅飛船返回艙在開展空投試驗時曾出現(xiàn)過由于組合體運動不穩(wěn)定，導(dǎo)致降落傘吊帶與返回艙結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦而斷裂的故障，最終將降落傘連接艙體的吊帶局部更換為鋼纜得以解決。

除了組合體不穩(wěn)定導(dǎo)致吊帶損傷的故障外，還需要注意降落傘的充滿狀態(tài)是否受前體尾流的影響而發(fā)生塌陷情況。一般而言，降落傘充滿后的局部塌陷會隨著前體速度的降低和姿態(tài)的穩(wěn)定而消失。但是，對于一些高速開傘、前體攻角大、尾流作用距離遠(yuǎn)的情況也可能導(dǎo)致降落傘塌陷加劇甚至顯著喪失阻力性能的情況出現(xiàn)。因此，一般需保證降落傘的拖曳距離不小于前體直徑的4～6倍，以避免此類故障發(fā)生。對于火星降落傘等超聲速開傘條件，甚至應(yīng)將前述數(shù)據(jù)控制在8～10倍。

此外，航天器在降落傘作用下進(jìn)入穩(wěn)降后，如果其他系統(tǒng)工作，需要考慮是否會對降落傘工作帶來不利影響。此類故障的典型案例是美國阿波羅15降落傘回收系統(tǒng)的開傘過程。其開傘初始階段的所有程序工作正常，3個主傘順利拉直、初始充氣、解除收口、張滿并進(jìn)入穩(wěn)降，但隨后1個主傘發(fā)生故障，最終返回艙在2個主傘作用下降落水面。NASA成立調(diào)查組進(jìn)行了深入分析得出，故障是返回艙進(jìn)行推進(jìn)劑排空操作而引起的，返回艙吹除的推進(jìn)劑(氧化劑為四氧化二氮)噴灑到故障降落傘上發(fā)生了燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致該傘的吊帶和傘繩損壞。

3.6 多級傘工作轉(zhuǎn)換故障

航天器降落傘回收系統(tǒng)往往采用多級傘減速方案，如返回式衛(wèi)星、載人飛船等都使用了減速傘和主傘的2級降落傘系統(tǒng)。高速情況下，先打開面積較小的減速傘，減速到一定程度后再打開面積較大的主傘。工作轉(zhuǎn)換時，可以利用減速傘分離時直接拉出主傘，也可以分離完減速傘后再通過單獨的引導(dǎo)傘來拉出主傘。多級傘工作轉(zhuǎn)換故障主要表現(xiàn)為減速傘分離異?；蛑鱾憷霎惓！?/p>

減速傘分離異常問題偶有發(fā)生，除了要確保相應(yīng)的分離裝置工作可靠外，還應(yīng)關(guān)注分離通道是否暢通，是否存在分離過程鉤掛的可能。

主傘拉出異常與前文拉直故障類似，因此要確保主傘包拉出通道暢通，降落傘能夠有序從傘包拉出，防止拉直過程傘包與艙體結(jié)構(gòu)碰撞或鉤掛。美國航天飛機(jī)助推器回收系統(tǒng)除了前文提到的第3次飛行試驗出現(xiàn)3個主傘失效的故障外，之后還發(fā)生了多次問題，尤其是主傘失效或明顯損傷的情況非常突出。NASA為此成立了專項的調(diào)查研究團(tuán)隊，得出的主要意見之一是減速傘與主傘的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)設(shè)計不合理，主傘的拉出過程容易與艙體結(jié)構(gòu)碰撞，多個主傘拉直時容易出現(xiàn)頂孔纏繞，從而易導(dǎo)致主傘故障。因此，除了對主傘采取一系列加強(qiáng)措施外，調(diào)查團(tuán)隊對于減速傘拉出主傘的環(huán)節(jié)提出了多項修改建議，包括增加主傘引導(dǎo)傘、調(diào)整主傘包固定方式、主傘包與艙體結(jié)構(gòu)間增加吸能裝置等。

此外，要關(guān)注降落傘之間的連接狀態(tài)，確保傘包能被正常拉出。2019年，美國波音公司進(jìn)行CST-100飛船逃逸救生試驗時發(fā)生了1個主傘沒有打開的故障，該問題是由于1頂主傘與其相對應(yīng)的引導(dǎo)傘之間的連接銷安裝錯誤導(dǎo)致。

3.7 群傘干擾故障

對于大載重航天器，如美國的阿波羅飛船、航天飛機(jī)助推器、獵戶座飛船、CST-100乘員飛行器、SpaceX的龍飛船以及中國新一代載人運輸飛船等均采用了群傘減速方案。與單傘相比，群傘回收系統(tǒng)具備互為熱備份的特點，但也增加了群傘干擾故障的風(fēng)險。如前文所述航天飛機(jī)助推器多次主傘故障，多次出現(xiàn)不同主傘之間從拉直到充氣過程的纏繞問題。

除了相互纏繞之外，還有一類故障情況是不同降落傘充氣展開不同步，導(dǎo)致不同降落傘承受開傘載荷有明顯差異，甚至可能超過降落傘的強(qiáng)度條件。特別對于群傘系統(tǒng)，如果1頂降落傘拉出過程即失效，其他多傘又充氣展開不同步，將很可能導(dǎo)致先展開的1頂降落傘承受過大載荷而損傷，從而群傘系統(tǒng)所期望的互為熱備份的目標(biāo)不能實現(xiàn)。美國SpaceX公司龍飛船降落傘系統(tǒng)采用了4個主傘的群傘方案，2019年4月，SpaceX公司對龍飛船降落傘系統(tǒng)開展故障模式空投試驗，驗證1頂主傘失效情況下，另外3頂主傘是否能夠滿足安全回收需求。該次試驗失敗，導(dǎo)致落地速度超出預(yù)期要求，具體原因未見公布，但群傘干擾的因素難以排除。

除了相同狀態(tài)降落傘組成群傘系統(tǒng)之外，也有采用不同降落傘組成群傘系統(tǒng)的情況。雖然不同狀態(tài)降落傘并不一定要求同步充氣，但相互干擾導(dǎo)致的故障需要特別注意。例如，美國獵戶座飛船開展降落傘系統(tǒng)空投試驗時，為了給需要驗證的降落傘系統(tǒng)創(chuàng)造開傘條件，采用了一大兩小的群傘系統(tǒng)作為投放模型的試驗程序傘。結(jié)果出現(xiàn)了2個小傘對大傘產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致大傘失效，模型失穩(wěn)，并引發(fā)需驗證降落傘系統(tǒng)的減速傘彈射拉直后吊帶被磨斷，且未能達(dá)到需驗證主傘的開傘條件，模型墜毀，試驗失敗，如圖3所示。

圖3 美國CEV降落傘系統(tǒng)空投試驗故障[24]Fig.3 American CEV parachute system malfunctioned in a drop test[24]

3.8 備份降落傘切換故障

聯(lián)盟號飛船、神舟飛船的回收著陸系統(tǒng)設(shè)置有主份、備份降落傘。如果主份降落傘出現(xiàn)故障，則及時將其從返回艙分離，并打開備份降落傘，從而確保航天員的生命安全。如何確保轉(zhuǎn)換備份的可靠，必須予以重視。

載人航天史上，聯(lián)盟一號的墜毀是最為慘痛的事故之一。經(jīng)過事故調(diào)查分析，聯(lián)盟一號由于回收程序故障，主份主傘未能正常打開，航天員手動觸發(fā)備份降落傘系統(tǒng)工作，但是備份傘和未能分離的主份傘發(fā)生纏繞，備份傘也未能正常張開，阻力損失嚴(yán)重，導(dǎo)致返回艙高速降落地面，航天員科馬羅夫犧牲。圖4為聯(lián)盟一號返回艙墜毀的場景。

圖4 聯(lián)盟一號返回艙墜毀照片F(xiàn)ig.4 The picture of crashed return module of Soyuz-1

3.9 其他環(huán)節(jié)故障

一般而言，降落傘進(jìn)入穩(wěn)降并正常工作一段時間后，已經(jīng)運行平穩(wěn)，故障發(fā)生概率相對較小。但是，對于轉(zhuǎn)換吊掛等動態(tài)過程還需特別重視。轉(zhuǎn)換吊掛環(huán)節(jié)，在短時間內(nèi)實現(xiàn)航天器姿態(tài)的突變，會產(chǎn)生較大的過載，降落傘及相關(guān)的連接分離機(jī)構(gòu)、垂掛吊索等必須具備足夠的強(qiáng)度，避免在沖擊載荷作用下破壞。對于吊掛重量分離環(huán)節(jié)，由于降落傘作用的重量突然降低，會導(dǎo)致降落傘阻力面積短時間內(nèi)突然變小，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的波動，因此同樣需要注意是否會對連接環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。

一些航天器著陸后，為了避免被風(fēng)拖曳，需要及時將降落傘分離。該環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的故障主要是過載開關(guān)等控制裝置或脫傘器等分離裝置工作異常。對于著陸水面的情況，有時還需降落傘發(fā)揮標(biāo)位功能，此種情況下的故障一般出現(xiàn)為降落傘附帶的浮囊裝置發(fā)生損壞。需要特別注意的是，對于降落傘著陸分離的環(huán)節(jié)，必須避免在空中提前分離的故障發(fā)生，可采取分離裝置加電時間延遲、多重指令觸發(fā)等保護(hù)措施。

除了關(guān)注降落傘回收系統(tǒng)自身工作可靠之外，在某些應(yīng)用場合還應(yīng)關(guān)注降落傘系統(tǒng)是否可能對其他系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。例如，2016年10月19日，歐空局的Schiaparelli探測器進(jìn)入火星大氣后，雖然開傘正常，但最終探測器仍然墜毀。分析表明故障的主要原因是降落傘在超聲速條件下的喘振導(dǎo)致探測器運動姿態(tài)的劇烈變化，其幅度超出了慣性導(dǎo)航設(shè)備的適應(yīng)范圍，從而導(dǎo)致探測器控制程序異常。

4 小結(jié)

對于進(jìn)入/返回式航天器而言，大多采用降落傘回收系統(tǒng)實現(xiàn)安全著陸。降落傘回收系統(tǒng)的工作正常與否影響飛行任務(wù)成敗。降落傘回收系統(tǒng)涉及到降落傘彈射分離、拉直、充氣(含有收口及解除收口等不同程序)、穩(wěn)降、多級傘轉(zhuǎn)換等一系列工作環(huán)節(jié)，程序不可逆，每一個環(huán)節(jié)都必須保證可靠工作。因此，降落傘回收系統(tǒng)的故障識別與控制至關(guān)重要。

從本文所述國內(nèi)外降落傘回收系統(tǒng)典型故障案例來看，拉直、充氣以及群傘系統(tǒng)工作階段是出現(xiàn)問題較多的環(huán)節(jié)。其主要原因是這些環(huán)節(jié)具備柔性體快速大變形的工作特點，涉及復(fù)雜的柔性體非線性流固耦合問題，地面模擬試驗困難。目前相應(yīng)的仿真分析技術(shù)還在發(fā)展中，計算精度尚未達(dá)到能夠充分指導(dǎo)工程設(shè)計的程度，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)數(shù)值建模與分析研究，從理論、方法、設(shè)計上提升降落傘回收系統(tǒng)的可靠性。

在加強(qiáng)理論方法與仿真分析的同時，降落傘系統(tǒng)的試驗驗證不容忽視，只有通過充分的模擬真實工作條件的考核，才能確保降落傘回收系統(tǒng)的工作可靠，確保航天器安全著陸的風(fēng)險可控。以美國為鑒，從阿波羅飛船到CST-100飛船、龍飛船，經(jīng)過了數(shù)十年發(fā)展，新研的每套降落傘回收系統(tǒng)仍然需要開展數(shù)十次空投試驗驗證，且試驗過程中仍是多次出現(xiàn)故障或異常問題，通過解決試驗暴露的問題而得以有效提升降落傘回收系統(tǒng)的可靠性。降落傘系統(tǒng)研制過程中的強(qiáng)度試驗和系統(tǒng)級空投試驗是最基本的2類驗證試驗。

加強(qiáng)設(shè)計與驗證的同時，有必要充分吸取國內(nèi)外各類降落傘回收系統(tǒng)發(fā)生故障的教訓(xùn)，對降落傘回收系統(tǒng)從整個研制周期、全部工作剖面嚴(yán)控質(zhì)量，關(guān)注細(xì)節(jié)，充分識別并控制風(fēng)險，確保系統(tǒng)的高可靠、高安全。