[科普中国]-着陆缓冲装置

背景

弹道式航天器，如返回式卫星、载人飞船等的返回舱(有些情况称为回收舱)在其返回地面的着陆下降阶段，一般都是利用降落伞的气动阻力对其进行减速。但是，在工程设计中，降落伞的减速是有一定限度的，其设计着陆速度不能规定得过低。载人飞船的返回舱在陆上的着陆速度一般规定在6~7 m/s，而对无人的返回舱可达10~14 m/s;否则，降落伞系统的重量将大到不合理的程度。在大气密度比较稀薄的星球表面着陆，如在火星表面，则降落伞的设计下降速度可高达25-35 m/s。

返回舱以这样大的速度着陆，其着陆时产生的冲击加速度峰值可数十倍于重力加速度(g)值;一般来讲，还是可以接受的。但是，对于经过长时间空间飞行的航夭员，要求着陆冲击加速度值尽可能地小;而对于有无损要求的返回舱及其内部仪器设备，特别是对于精密、贵重的仪器设备，也要求着陆冲击尽可能地小，以实现重复使用。

因此，需要在返回舱着陆时，进一步采取着陆缓冲或减振措施，对返回舱进一步进行减速或吸收返回舱下降的动能，以降低其着陆冲击加速度峰值。

滑翔伞常规降落伞在下降时只产生阻力而无升力。滑翔伞，如翼伞，除了阻力外还产生一定的升力。改变升力的方向，可改变飞行方向，从而控制返回舱的运动轨迹，.将返回舱引导到预定的回收区。当下降到距地面不大的高度时，滑翔伞迅速作拉平机动飞行，改变其升阻比，其垂直下降速度V急剧减小。滑翔伞在着陆前的拉平机动称为“雀降(Flare)"。

60年代初，美国当局在制定“双子星座”飞船方案时，曾设想一种帆状滑翔翼伞(paraglider)作为飞船着陆系统的终端减速装置，以实现可控制的陆上着陆。滑翔翼伞具有升阻比L/D=3.5。当飞船乘滑翔翼伞下降，进入预定的着陆场，离地面高度14m时，作雀降机动。飞船以着陆架触地。三个着陆架在飞船上按前三点布置，具有液压缓冲筒以吸收剩余的垂直下降速度的动能。着陆架的底部是滑撬状的滑块，着陆时在柏油路面或机场跑道上滑行，以消除着陆时的水平速度分量。

在60年代初期，滑翔翼伞技术还很不成熟，关键技术久攻不下;最后，美国当局不得不在“双子星座”计划中放弃滑翔翼伞方案，而改用常规的直径为19. 5 m的环帆伞作为着陆系统的主伞。

自80年代以来，人们在研制大型、可控的冲压式翼伞方面进行了大量工作，取得了长足的进展。例如美国目前正在进行中的GPADS计划(Guided Parafoil Air-borne Delivery System可控翼伞空投系统)，在空投试验中已成功地实现了回收重量达16. 3 t、着陆速度为2. 4 m/s、着陆精度在直径100 m范围内的冲压式翼伞系统。目前这种系统暂还只应用于飞机定点空投重型军用物资，尚未应用于航天器的回收着陆。

着陆缓冲火箭着陆缓冲火箭简称着陆火箭，是一种具有动力的主动式着陆缓冲装置。当返回舱乘降落伞下降到距地面某个不大的高度时，着陆火箭点火工作，给予返回舱一个向上的冲量，也就是给予一个向上的速度增量，从而使返回舱在着陆前瞬时的速度减小到相当小的水平。从理论上讲，利用着陆火箭有可能实现以零速度着陆。

着陆火箭的主要特点在于其缓冲行程相当大，比任何一种缓冲装置都大；因而可以实现在相当小的减速过载条件下，将返回舱的着陆速度减小到很低的水平;这一点对于载人飞船的着陆是非常重要的。在返回舱质量很重的情况下，使用着陆火箭可以明显地减小主伞伞衣面积，从而减少降落伞系统的质量。

“降落伞一着陆火箭系统”最初是应用于空投重型军用物资，后来移植于航夭器返回舱的着陆。

60年代初，美国当局在“双子星座”飞船计划中放弃了滑翔翼伞方案，改用常规的环帆伞方案，但同时还开展了一种“活动帆片伞一着陆火箭”系统的研制工作，争取应用到飞船的实际飞行中去。

所谓活动帆片伞(parasail)是在常规的环帆伞的基础上，将其部分帆片设计成是活动、可控制的，具有有限的滑翔飞行能力，其升阻比L/D=1.0，最大转向率约300/s;可以实现有限的可控制的陆上着陆。

活动帆片伞的升阻比很小，不能采取雀降机动，因此在着陆时增设了两台着陆火箭，以降低其垂直下降速度分量。着陆火箭安装在飞船的一个侧面，在着陆时是朝向地面;它是一种双推力固体火箭，其推力—时间曲线分为两个阶段:第一阶段是高推力阶段，平均推力26. 5 kN，作用时间很短0. 4 s;将飞船的下降速度降低到1一3 m/s的设计值。第二阶段为低推力或保持阶段，推力保持在5. 43 kN的水平;将飞船的下降速度维护到已达到的低速度，直至着陆。

飞船在着陆前，伸出触杆式高度控制器以控制着陆火箭点火。触杆式高度控制器是由加拿大德哈维兰公司研制的，它由厚度为0. 13 mm薄钢条制成。在展开前，像钢卷尺那样卷在卷筒内。展开时，自动形成直径为25. 4 mm的薄壁圆管状杆子，长度1.5一6 m可调。

飞船上设有与“滑翔翼伞”方案相同的着陆架组。飞船着陆时的垂直下降速度分量的动能，由着陆架上的液压缓冲筒吸收;而水平下降速度分量的动能，由着陆架底部的滑块在机场跑道上滑行而消耗掉。1

缓冲气囊缓冲气囊是一种常用的着陆缓冲结构，其主要靠压缩气囊内部气体做功来消耗被缓冲物的冲击动能。缓冲气囊从囊腔个数来分可以分为单室气囊和多室气囊;从缓冲机理上可以分为排气型、非排气型和组合型，其中组合型为排气型和非排气型组合而成，通常为双气室气囊，内囊为非排气型气囊而外囊为排气型气囊。缓冲气囊质量轻且缓神特性好，气囊着陆缓冲系统已经被广泛地应用于航天器回收、无人机回收以及空降空投中。所以，近些年来国内外相关研究人员采用理论计算、试验和数值仿真等方法对其缓冲吸能特性进行了广泛研究。

国外研究在国外，Esgar和Morgan把缓冲气囊的内部气体看作理想气体，基于热力学方程和力学平衡方程，建立了缓冲气囊的理论力学模型，从而计算出了气囊缓冲系统相关指标的理论解。Cole和Waye编写了计算程序来计算模拟“探路者号”火星气囊着陆系统的着陆冲击过程，通过该计算程序可以计算得到探测器的着陆冲击加速度一一时间曲线和缓冲气囊在着陆冲击过程中的压力一一时间曲线，从而可以指导该气囊缓冲系统的设计，有效地降低了昂贵的试验成本。Tutt等对“猎户座”(Orion)载人飞船的缓冲气囊的缓冲吸能特性进行了试验研究，试验结果表明该双气囊缓冲系统能很好地满足着陆缓冲要求。同时他们采用非线性有限元软件LS-DYNA对“猎户座”载人飞船的缓冲气囊的若陆缓冲过程进行了模拟，数值分析结果与试验结果吻合得很好。Lee等采用LS-DYNA对采用气囊进行缓冲的“猎户座”载人飞船的着陆缓冲过程进行了仿真分析，他们计算了不同工况下的冲击响应，同时通过仿真分析发现改变外部气囊的排气孔而积是降低飞船过载和提高整体稳定性的最有效途径。Gardinier和Taylor采用试验和数位仿真对可回收利用的K-1运载火箭的气囊缓冲着陆过程进行了研究，首先他们采用缩比试验验证了数值模型的准确性，然后再用验证后的数值模型计算了全比例模型的着陆冲击过程，仿真结果表明该气囊系统可以满足K-1运载火箭的所有着陆缓冲性能指标。Taylor采用LS-DYNA对欧洲航天局发射的Beadle II火星探测器的气囊着陆缓冲过程进行了模拟，通过仿真他得到了不同工况下的着陆冲击响应，为Beagle II火星探测器的气囊系统提供了宝贵的设计依据。Hirth等分别采用L S-D YNA的控制体积算法、任意拉格朗日欧拉算法和粒子法对气囊的展开以及气囊在展开过程中受冲击进行了仿真模拟，并且对相关过程进行了试验，仿真与试验结果的对比发现任意拉格朗日欧拉算法和粒子法在气囊展开过程受冲击载荷的模拟上比控制体积算法计算结果更准确但计算时间相对较长。在气囊展开过程受冲击载荷的模拟上，综合考虑计算结果准确性和计算时间的话，粒子法相对最优。Hu等通过试验和数值仿真方法对Zhong和He发明的一种新型的汽车乘员侧安全气囊一一管式夹层气囊进行了研究，他们研究了该新型气囊对离位乘员的保护效果，试验和仿真结果均表明该新型气囊对离位乘员的防护比普通气囊要好。

国内研究在国内，戈嗣诚等人采用Esgar和Morgan的方法对固定排气孔面积的排气型缓冲气囊在无人机回收的应用进行了可行性研究，并分析了影响气囊缓冲性能的主要因素。王亚伟等基于热力学方法，综合考虑了气囊实际缓冲过程中气囊的形变和排气孔面积的变化，建立了货台空投系统气囊缓冲过程数值迭代理论模型，有效地模拟了货台采用气囊缓冲的着陆冲击动态响应过程，仿真结果与试验结果相吻合。通过该理论模型，可以获得货台系统着陆冲击过程的冲击过载、位移以及速度等气囊设计人员关心的指标。陈帅等按时间先后顺序将着陆缓冲气囊的缓冲过程分解为两个独立的物理过程:绝热压缩过程和排气释能过程。他们从热力学和刚体动力学的基本方程出发，建立了着陆缓冲过程的理论分析模型，并给出了缓冲响应的数值计算方法。温金鹏等考虑了气囊织布弹性对缓冲特性的影响，对缓冲气囊力学模型进行了合理简化，从热力学基本方程和能量守恒基本方程出发，建立了缓冲气囊的解析理论模型，同时他们采用LS-DYNA验证了该理论模型的有效性，并应用该理论模型对水平圆柱式气囊缓冲特性进行了研究。朱兴元和吴幼明采用量纲分析法对缓冲气囊的动态冲击过程进行了理论分析，分析了多种因素对气囊缓冲特性的影响。邓春燕和裴锦华以“火星探路者”登陆系统的全向式气囊缓冲装置为例，对全向式着陆缓冲气囊的折叠建模与充气过程进行了仿真。洪煌杰等采用非线性有限元方法对八气囊空降车缓冲系统的着陆冲击过程进行了仿真分析，计算得到了正常着陆工况下的空降车的质心速度、加速度以及气囊内压等随时间变化的特性曲线。方康寿采用非线性有限元软件ABAQUS对某型无人机的气囊回收着陆冲击过程进行了仿真分析，分析结果为无人机气囊的设计提供了理论依据。谭军应用多刚体有限元软件MADYMO对载人空降缓冲气囊座椅的人员防护特性进行了仿真分析，分析结果表明缓冲气囊座椅对空降人员的着陆冲击起到了很好的全方位保护作用。2

影响着陆缓冲装置性能的因素在着陆缓冲过程中，各种偏差主要有：

（1）航天器稳定下降速度的偏差，由降落伞加工偏差、空气流动情况等因素决定;

（2）多降落伞和航天器组合体在下降过程中的摆动引起缓冲发动机点火高度偏差，由物伞系统稳定性和气候条件等因素决定，

（3）由近地高度传感器发出的缓冲发动机点火高度偏差，由近地高度传感器精度决定;

（4）缓冲火箭发动机的点火滞后现象引起的发动机点火高度偏差，由发动机装药设计和点火药盒性能等因素决定;

（5） 国由于环境温度的改变引起的发动机推力及工作时间偏差;

（6）同一温度下，由于推进剂在生产加工过程中的组分变化及不均匀性、药柱外形尺寸偏差引起的发动机性能变化。

在上述6种因素中，影响着陆缓冲装置性能的主要因素是初始速度和环境温度。3