探月返回器降落傘減速系統設計及試驗驗證

賈賀 榮偉 包進進 王海濤

(1 北京空間機電研究所，北京 100094)(2 國防科技大學，長沙 410073)

根據我國月球探測“繞、落、回”三步走的實施方針，第一步即是發射月球探測衛星，第二步是實施月球軟著陸和月球自動巡視勘察探測，第三階段則是實施月球樣品的自動取樣返回。目前我國月球探測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(以下簡稱探月三期)目前正緊張有序地開展，并于2014年成功地完成了月地高速再入返回相關技術的飛行試驗驗證。

在各類氣動減速裝置中，降落傘裝置以其質量輕、包裝體積小、減速效率高等優點在各類航天航空任務中得到了廣泛應用，已經成為多種飛行器減速及安全回收的重要裝置[1-5]。降落傘減速系統是探月三期返回器返回著陸段一個重要的氣動減速裝置，探月返回器返回時將由返回器、降落傘減速系統共同接力完成進入、減速下降和著陸過程，實現返回器的安全著陸。因此，降落傘減速是探月三期任務的最后步驟，是確保采集的月球樣品能否成功回收的一個關鍵環節，也是探月三期任務成敗的最終標志。降落傘減速系統主要功能是當返回器二次再入大氣層，且速度、高度下降至預定范圍時，利用降落傘的氣動阻力，穩定返回器的姿態，降低返回器的下降速度，最終使返回器著陸速度滿足規定的要求。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方案，開展了傘艙系統運動穩定性、艙蓋分離安全性、系統可靠性驗證工作[6-9]。

本文針對探月返回器降落傘減速系統的任務特點，通過對返回器-降落傘系統的動力學特性分析，考慮降落傘減速系統工作時的多因素約束，提出了一種開傘載荷非均衡的兩級降落傘減速系統設計方案，并通過數值仿真和物理試驗驗證了方案設計的合理性和性能的有效性。

1 探月返回任務輸入與特點分析

1.1 任務總體分析

為了為我國未來的載人探月和深空探測等活動奠定一定的技術基礎，探月三期返回器將采用半彈道跳躍式再入返回方式。當返回器與軌道器分離后，返回器直接進入地球大氣層，下降到海拔高度約60 km時，借助氣動力的作用，返回器再次躍出大氣層，然后第二次進入大氣層，下降到設計的開傘高度時，降落傘系統開始工作，對返回器作進一步減速，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工作輸入約束主要有：

(1)返回器彈蓋開傘時的質量約為330 kg，著陸時的重量約為310 kg；

(2)開傘高度大于10 km(海拔高度)；

(3)開傘速壓不大于5.0 kPa；

(4)返回器的垂直著陸速度應不大于13 m/s(按海拔高度1 km考慮)；

(5)各級降落傘開傘過載不大于7gn；

(6)降落傘系統質量不大于9 kg;

(7)采用側向彈蓋開傘方式。

1.2 任務特點分析

根據探月三期返回器的總體布局要求，降落傘減速系統需采用側向彈蓋開傘的方式，且因各種約束條件的限制，彈蓋開傘產生的作用力方向還不能通過返回器的質心、降落傘與返回器之間的連接也只能采用單點吊掛方式。特別是返回器的質量特性與神舟飛船的質量特性小很多，探月三期返回器的質量僅為神舟載人飛船返回艙質量的1/10，轉動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更容易受各種干擾因素的影響。這些因素均將有可能對返回器返回著陸過程中的器傘系統穩定性帶來不利影響。盡管對降落傘減速系統工作時的穩定性沒有明確要求，但由于探月返回器的布局相當緊湊，若器傘系統穩定性不好，容易發生降落傘吊帶與返回器間的相互磨損，從而導致降落傘減速系統工作的失效，因此，器傘系統的穩定性也是降落傘減速系統方案設計分析中需要重點考慮的一個環節[10]。

2 器傘系統動力學模型建立

2.1 坐標系定義

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

圖1 器傘系統坐標系

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

返回器體坐標系O3X3Y3Z3的原點O3位于回收系統啟動之前返回器的質心，O3X3和O3Y3軸在縱向對稱平面內，O3X3軸平行于縱向對稱軸，O3Z3軸垂直于該平面，指向傘艙一側，O3Y3根據右手法則確定。

大地坐標系OEXEYEZE為北天東坐標系。它的原點OE與計算初始時刻返回器體坐標系的原點O3在當地水平面上的投影點重合，OEYE軸鉛垂向上，OEXE和OEZE軸在當地水平面內，分別指向北方和東方。

2.2 器傘系統的動力學模型

2.2.1 返回器動力學方程

根據一般剛體動力學方程，得到返回器的動力學方程為

(1)

(2)

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

2.2.2 降落傘動力學方程

由于降落傘在充氣過程中，隨著傘衣向外膨脹，它所帶動的流體區域也隨之擴大。為了描述附加質量的這種變化，在降落傘的動力學模型中要包含附加質量的變化率項。得到降落傘的動力學方程：

(3)

(4)

降落傘的充氣過程中，傘衣阻力面積隨時間的變化規律可表示為

(5)

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

3 降落傘減速系統設計

3.1 降落傘減速系統多方案的性能分析

根據傘降著陸速度的要求，通過器傘系統穩定下降時的平衡關系式(6)并考慮一定的設計余量，即可設計探月返回器主傘的阻力面積為40 m2。

(6)

式中：m為著陸時返回器的質量；ρ為著陸場地面大氣密度；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；A為降落傘名義面積。

根據所設計的主傘阻力面積，結合傘開傘條件、開傘過載等要求，降落傘減速系統的方案直接采用“主傘”一級減速和采用“減速傘+主傘”兩級減速方案均可以實現，但正如任務特點分析所述，器傘系統的穩定性也是降落傘減速系統方案設計時需要考慮的一個重要因素。為此，在確定采用一級減速方案還是采用兩級減速方案時，對這兩種方案對器傘系統穩定性的影響進行了研究。

根據探月返回器開傘方式和出傘通道的特點，若采用主傘一級方案，也需采用一個引導傘來拉出主傘。因此，在對比分析一級減速方案和兩級減速方案對器傘系統穩定性的影響時，一級減速方案中的引導傘和兩級減速方案中的減速傘均取同樣1 m2的阻力面積。

根據前面所建立的器傘系統動力學模型，對一級減速方案和兩級減速方案的相關動力學特性進行了仿真分析，結果如圖2所示。圖2(a)是兩級減速方案中減速傘和主傘工作段返回器擺角隨時間的變化，其中返回器的擺角定義為返回器軸線和垂直方向的夾角(以下類同)，從圖中可以看出，對于兩級減速方案，返回器擺角最厲害的時間是減速傘開傘階段，因此，在有關穩定性的分析中主要是考察減速傘工作段。首先對一級減速方案中的主傘開傘段和兩級減速方案的減速傘開傘段的穩定性進行對比分析。

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比，各參數如表1所示。從圖中可知，一級減速方案中返回器的擺動明顯比兩級減速方案的大。一級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，以下類同)約為76°、最小夾角約為5°；而兩級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°。由于返回器擺動過大一方面對艙內的儀器設備的受力不利，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風險。

表1 兩種減速方案主要穩定性參數的對比

圖2 兩種減速方案對穩定性的影響Fig.2 Influence on stability of two deceleration schemes

可見，從器傘系統的穩定性來看，采用兩級減速方案更加合理、可靠。同時，從降落傘的開傘過載來考慮，采用兩級降落傘減速不僅有利于減小降落傘的開傘載荷，而且也有利于提高降落傘減速系統的適用范圍。因此，綜合各個方面來考慮，采用減速傘加主傘兩級減速方案是一個合理的設計選擇。

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減速方案后，對于減速傘的設計成為系統設計的關鍵環節。減速傘主要是承受最大的開傘速壓，并為主傘創造合適的開傘條件。減速傘的面積一般是根據各級降落傘的開傘載荷相互接近且前一級開傘載荷略小于后一級開傘載荷的設計原則所確定的。

根據所建立的器傘系統動力學模型，對不同面積大小的減速傘減速方案的動力學特性進行了仿真。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傘過載。從開傘載荷的設計原則來看，采用1.5 m2或2 m2的減速傘比較合理。

圖3 降落傘開傘過載的變化Fig.3 Variation of parachute opening load

表2 不同大小的減速傘方案中各級降落傘的開傘過載

從探月返回器的開傘條件來說，3種減速傘方案中的開傘載荷，對于降落傘的強度設計均沒有大的影響；而減速傘面積的增大，將增加減速傘的質量，這就需要考慮質量的增加是否還能夠滿足探月返回器對降落傘減速系統的指標要求，另一方面，質量的增加對于彈蓋拉傘環節來說也是不利的；根據前面任務特點分析，還需考慮器傘系統的穩定性情況。

減速傘的大小對器傘系統穩定性的影響分析結果如圖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變化如表3所示。從仿真結果可知，減速傘的阻力面積在1～2 m2之間時，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，從器傘系統的穩定性來看，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穩定性的影響Fig.4 Influence on stability of different size drag parachute schemes

表3 不同減速傘工況下主要穩定性參數對比

3.3 降落傘減速系統方案的最終確定

綜合上述各方面的考慮，探月返回器降落傘減速系統的設計方案由減速傘和主傘構成，且降落傘開傘載荷的設計采用一種非均衡的設計方案，即由1 m2的減速傘承受最大開傘速壓，并穩定返回器的運動，為主傘開傘創造合適的條件，最后由主傘達到規定的傘降著陸速度。同時主傘采用一次收口的方法，進一步控制各級開傘過載不致超出規定的限制要求。

綜合以上設計，探月返回器降落傘減速系統的組成如圖5所示，主要參數如表4。當返回器返回到離地面一定高度時彈掉傘艙蓋，同時將減速包拉出，并順序將減速傘拉直。然后減速傘對返回器減速并穩定其姿態，減速傘工作一定時間后，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 降落傘系統組成示意圖Fig.5 Composition of parachute system

4 試驗驗證

為了確保降落傘減速系統設計的合理性和性能的有效性，研制團隊采用了仿真試驗與空投試驗結合的方式進行驗證。其中空投試驗共進行了10余架次，各級降落傘均工作正常，系統方案得到了充分驗證，各項性能指標均滿足要求。

對空投試驗獲得的實測數據與仿真試驗的計算結果進行了對比分析(見圖6～圖9)。其中圖6是主傘開傘力隨時間的變化，仿真試驗得出主傘一級開傘力峰值為14.84 kN，空投試驗實測值為14.39 kN，相比約大3%，二級開傘力峰值為11.82 kN。圖7和圖8為仿真試驗的高度和速度與空投試驗實測值的對比，仿真試驗計算值和空投試驗實測值存在良好的一致性。圖9是仿真試驗的擺角與空投試驗實測值的對比，兩者總體保持良好的一致性?？梢?，相同工況設置下，仿真試驗計算值和空投試驗實測值的一致性，表明仿真試驗計算模型也是可信的。

圖6 主傘開傘力隨時間變化Fig.6 Variation of main parachute tension with time

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

圖9 擺角隨時間變化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經過了月地高速再入返回飛行試驗的驗證，確保了返回器的安全回收，保證了月地高速再入返回任務的成功實施。通過對試驗后的降落傘的檢查發現均完好無損，其結果表明探月返回器降落傘減速系統方案是合理的，工作性能是穩定可靠的。

5 結束語

雖然探月返回器采取了類似神舟飛船返回艙的氣動外形，但是對于降落傘減速系統并不是簡單的按比例縮放。神舟飛船因為其執行載人任務的特殊性，設置了主備兩套降落傘裝置，而探月返回器降落傘系統由于總體布局的要求，且因重量、體積各種約束條件的限制，僅設置了一套降落傘裝置。特別是返回器的質量特性比神舟飛船的質量特性小很多，探月返回器的質量僅為神舟載人飛船返回艙質量的1/10，轉動慣量只有飛船返回艙的1/40，這將使得探月返回器的姿態更容易受各種干擾因素的影響。且由于返回器的布局相當緊湊，若器傘系統穩定性不好，容易發生降落傘吊帶與返回器間的相互磨損，從而導致降落傘減速系統工作的失效。

針對上述要求，除繼承神舟飛船降落傘減速系統研制驗證思路外，有別于神舟飛船降落傘減速系統對稱開傘載荷的設計原則，探月返回器降落傘減速系統采用了開傘載荷非均衡的兩級降落傘組成的減速系統方案，該方案有效提高了器傘系統的穩定性，最大擺角減小15%，最大角速度可減小30%。從系統方案上解決了返回器開傘載荷、器傘系統穩定性等多因素約束的匹配性設計，通過仿真試驗、空投試驗和月地高速再入返回任務飛行試驗，進一步驗證了該降落傘減速方案的合理性和整體性能的有效性。