[科普中国]-航天器回收系统

历史

航天器回收着陆技术是航天技术的重要组成部分,也是北京空间机电研究所1958年8月21日组建以来,直至现在的50年发展历程中最稳定、最健全的专业技术,不管研究所承担的任务和研究的方向怎么变化,专业发展怎么变动,回收着陆技术总是作为其主导专业方向健康地存在着、发展着。它与我国航天事业的发展,心心相印、休戚相关,为其做出了贡献和力量,取得了举世瞩目的成就。航天器回收着陆技术是第二次世界大战以来,随着火箭、导弹、航天(空间)技术发展而发展起来,并得到广泛应用的一门综合性应用技术。它涉及到的技术面比较广,一般有飞行器总体设计、结构设计、气动力减速技术、无线电技术、控制技术、火工技术以及供配电技术等;另外在研制过程中还需用到许多试验和测试技术。特别是空投试验技术,是回收着陆技术中广泛使用的必配的试验手段,其在型号整个回收着陆系统研制中,不论在人力和物力上都占有相当高的比重和位置。我国航天器回收着陆技术,从1958年8月21日开始,直至现在的50年发展历程中,所有航天型号的回收着陆任务都是由北京空间机电研究所完成的。

回收和着陆技术弹道式、半弹道式再入航天器须由回收系统使其进一步减速，最后乘降落伞垂直着陆或溅落。航天飞机在自动着陆系统的控制下,从3公里的高度开始下滑，降到 500米左右的高度时开始作拉平机动，降到150米左右的高度时放下着陆架,接着在跑道上触地滑行，完成最后的着陆动作。

回收系统是弹道式和半弹道式返回型航天器的必不可少的重要组成部分（见航天器返回技术）。

返回原理：

航天器有心力场天体力学飞向地球空气阻力D大气密度ρ：

高层大气对流传热辐射传热

功用载人飞船、照相侦察卫星、生物卫星等返回型航天器的返回舱再入大气层后，下降到20公里左右的高度时达到稳定下降速度的状态。如果不进一步采取减速措施,返回舱会以相当大的速度（约150～200米/秒）冲向地面。返回舱一般选用钝头再入体的气动外形，这类返回舱在亚音速区域是不稳定的，表现出大幅度的摆动、旋转甚至翻滚。随着飞行高度的降低和速度的进一步减小，这种姿态的不稳定性越趋严重。返回舱的这种不稳定性会使舱内的航天员头晕，引起黑视，甚至晕厥。回收系统在这个临界时刻开始工作，展开气动力减速装置使返回舱在亚音速区域保持姿态稳定，然后逐级展开气动力减速装置使返回舱有控制地进一步减速，直至以一定速度安全着陆。与此同时回收系统不断发出信标信号和施放显迹标记，使地勤人员易于发现，及时找到航天员、取回照相胶片或生物试样。

分类航天器的回收可以选择陆地降落、海面溅落或在空中用飞机直接钩取等3种方式,因此相应有陆上回收系统、海上回收系统和空中回收系统。

组成载人飞船、返回式卫星等返回型航天器所采用的回收系统基本上是相同的,但对于载人飞船来说,不仅要求回收系统有更高的可靠性，而且为适应正常返回和应急返回的需要，回收系统还应保证飞船同时具有海上溅落和陆上着陆的能力。

按系统所采用的减速装置分为降落伞着陆系统、降落伞-缓冲火箭着陆系统和降落伞-缓冲气囊着陆系统。

回收和着陆技术是实现无人或载人空间探索极其重要的一项支撑技术。美国NASA在2005年针对空间探索计划完成了“空间探索系统体系研究”1,并确定了15个战略方面的能力发展路线图2,其中在三大方面均涉及到回收与着陆技术,包括“机器人到达行星表面”、“载人星际飞行着陆系统”、“载人探索系统和机动”等。在15个战略路线图中确定了近200项关键技术,其中24项为最高效益的关键技术,涉及回收着陆技术的方面包括“精确安全地载人飞行、着陆和返回”、“精确安全地大质量货物运输、着陆和返回”、“研制无人自动飞行器和任务管理系统”等。

伞类减速伞是变透气量的锥形带条伞,采用一级收口。减速伞的设计继承了航天飞机、F-16等阻力伞的设计,开伞马赫数小于0.8。

主伞为环帆伞,采用两级收口方式。拉出主伞的引导伞为环缝伞。美国曾在1997年Kistler项目中研制出由三个直径4715m的环帆伞组成的减速系统,在2006在PAD项目中采用了四个直径4715m的环帆伞。这些项目的空投试验均取得成功,为“猎户座”飞船主伞的研制打下了很好基础。

降落伞发展概况

降落伞回收技术是40年代后期开始发展的,最初用于回收探空火箭的实验仪器,50年代用于回收无人驾驶飞机、靶机等航空器和试验导弹，60年代广泛用于回收卫星、飞船等返回型航天器的返回舱。70年代，降落伞着陆技术也应用到航天器在行星表面的软着陆。降落伞技术在这一进程中得到了很大的发展。

降落伞系统的设计指标

1)开减速伞时返回舱质量7710kg,着陆时质量为6530kg;2)正常着陆速度不大于719m/s,在一个主伞失效情况下着陆速度不大于10m/s;

3)降落伞系统应保证“一次故障工作,二次故障安全”;

4)降落伞系统能够在单个降落伞收口失效情况下正常工作;

5)降落伞系统承载部位的最小安全系数116,关键受力部位为2;

6)降落伞系统能经受180天飞行环境。3

缓冲类从月球返回地球是在陆上着陆,从空间站返回可以在海上或陆上着陆。这要求着陆系统设计适应不同的着陆地形。NASA对几种陆地着陆缓冲方式进行了研究和评估,包括反推发动机、缓冲气囊、压溃结构等。尽管反推发动机是最轻、最可靠的缓冲着陆方式,但考虑到需要重复使用以及着陆姿态等要求,最终倾向于采用气囊缓冲。采用气囊缓冲有利于保护乘员舱,能更好适应降落伞的摆动和水平速度,着陆后有更好的稳定性。目前由Irvin公司和ILCDover公司分别独立研制了两种气囊系统,并在NASA兰利研究中心进行了初步的着陆冲击试验

两种气囊均是采用由内外囊组成的排气式结构,气囊的外囊上有排气口,触地后排气口破裂,外囊泄压,而内囊不排气。缓冲气囊采用高压冷气源充气。气囊的设计不仅要求在正常着陆条件下工作,还要求能够在降落伞失效、大的水平风、不利的地面坡度等恶劣条件下起作用。4

由于对过载和过载上升率有要求,因此需采用球形或圆柱形气囊降低初始过载。对于气囊的设计,充气压力、排气口、缓冲距离、稳定性等都是重要参数。ILC公司初步设计是采用八个气囊。原设计每个气囊为一个排气口,直径为273mm。为提高可靠性,现已准备改为两个排气口。两种气囊在NASA兰利中心进行了原理性着陆冲击试验,共完成两种工况41次试验。一种是垂直投放,垂直着陆速度718m/s。另一种是摆动投放,着陆时垂直速度716m/s、水平速度1717m/s。与“阿波罗”飞船相似,“猎户座”飞船返回地球也是采用跳跃方式进入。再入过程采用惯性导航和GPS导航结合,此外还考虑增加大气压力传感器提供高度数据。为防止GPS故障,还可能增加雷达高度计以确保降落伞和气囊在安全高度展开。返回舱大约在12km高度打开减速伞,在214km高度减速伞分离,同时弹出引导伞并拉出主伞,30s后抛防热大底,约在300m高度气囊充气展开,40s后着陆。飞船的着陆精度约为5km。5

组成部分气动力减速分系统弹道式和半弹道式返回型航天器都用降落伞作为减速装置，一般由二级降落伞组成气动力减速分系统。第一级为稳定伞，其作用是保证返回舱在亚音速区域的稳定性,并使返回舱初步减速,为主伞开伞创造条件。稳定伞通常选用开伞动载小、稳定性好的锥形带条伞。一般返回舱都只有一具稳定伞，个别重型返回舱（如“阿波罗”号飞船）装有二具稳定伞。第二级为主伞，其作用是保证返回舱以一定的速度安全着陆，通常选用阻力效率高、工作可靠、稳定性好和开伞动载较小的环帆伞。主伞一般为单伞。但当回收重量大时也采用多伞系统。由于主伞面积很大，一般都通过伞衣收口实现二次或三次开伞，以减小开伞动载，提高开伞可靠性。

着陆缓冲分系统为保证返回舱结构的完整和航天员的安全，必须尽可能减小返回舱的着陆冲击过载。常用的缓冲装置有缓冲火箭、缓冲气囊和其他缓冲结构。"联盟"号飞船采用缓冲火箭和航天员座椅上的缓冲结构组成着陆缓冲分系统。"水星"号飞船采用缓冲气囊和航天员座椅上的缓冲结构组成着陆缓冲分系统。对海上溅落的载人飞船,主伞的最终下降速度约为9米/秒,而在返回舱乘主伞下降时调整其悬挂姿态，使返回舱底面的锐边首先着水，利用海水的缓冲作用使返回舱着水冲击过载大为减小，同时辅以航天员座椅上的缓冲结构达到安全溅落目的。

标位分系统弹道式返回航天器的落点散布范围一般很大，所以在返回舱上装有多种标位装置，通过光、声、电波等多种途径帮助地勤人员及时标定返回舱的落点位置。标位分系统通常以无线电信标机为主，辅以闪光灯、海水染色剂和水下发声弹等。

控制-作动分系统它的作用是控制和执行各项回收动作，诸如打开伞舱盖、弹射开伞、解锁脱伞、信标机开机、缓冲火箭点火等。分系统由电源、控制元件（如时间程序机构、高度开关、加速度开关等）、作动元件（如弹伞筒、解锁器、分离器等，常为电爆火工装置）通过电路连接而成。

应急回收程序回收系统不仅有正常回收程序，而且备有应急回收程序。飞船回收程序不仅能自动控制，而且也可由航天员直接手动控制。航天器回收系统依需要还可能设置漂浮装置，借以增加浮力而浮于海面并保持一定的漂浮姿态。回收系统中的扶直装置能产生附加浮力，使返回舱翻身；而在陆地着陆时扶直装置能使返回舱在陆地着陆后处于直立姿态，以保证信标天线竖立，正常发射信号。

航天器回收基地选址为了使航天器安全可靠地着陆和回收，必须建设返回用的着陆场。根据航天器运行轨道特点，着陆场必须具备4个条件:

一是航天器将从这个地区上空多圈次通过;

二是场地要开阔;

三是地势要平缓，地表要足够坚硬;

四是天气状况要好。

地区属沙质草地，地势平坦开阔，区内没有大河，为中温带大陆气候，全年干燥，少雨多风，能见度高。当地人烟稀少，平均每平方公里不超过10人。

中国航天器回收发展初探第一步：探空火箭回收1959年7月10日，508所提出T7M探空火箭研制任务，以此探索液体探空火箭研制的技术途径。同时，这也是我国航天器回收着陆技术的启蒙型号。

1960年4月17日，T7M-003探空火箭发射升空，箭体乘降落伞徐徐降落在东海之滨，取得了我国航天器回收着陆历史上的首次成功，毛泽东称赞这是一项“了不起的成就”。随后，1966年发射的两枚T-7A火箭，成功实现了我国首批次小狗上天的回收着陆任务。

坚实的第二步：国防装备大型实验数据舱回收1980年5月18日，在我国首次远程火箭全程试验中，南太平洋成功回收数据舱是意义重大的成功范例。

在我国国防装备大型实验数据舱回收系统研制中，为了摸清有效载荷再入大气层过程中的各种情况，需对再入段进行实时测量。当再入速度达到十倍音速甚至更高时，有效载荷与周围空气摩擦产生的温度可达千度以上，会出现“黑障”现象。

在当时遥测方法无法解决的情况下，必须将这阶段的数据先存储在有效载荷的数据舱磁带中，在着地前将数据舱弹出，对其实施减速并回收，然后通过回收磁带的方式获取数据。

508所先后参加了四十余次发射，全部完成回收任务，使我国航天器回收着陆技术得到了进一步发展。

跨越的第三步：返回式卫星回收科学实验卫星回收系统是我国第一个卫星回收系统，508所科研人员经过大量理论分析计算、地面试验和风洞试验验证，解决了降落伞、时间机构、真空润滑等多项关键技术。1976年12月10日，科学实验卫星回收舱的回收任务成功完成，我国成为世界上第三个实现卫星回收的国家。

2016年4月18日，实践十号卫星安全降落在预定着陆区域，为我国返回式卫星回收系统再添一枚勋章。截至目前，508所完成了我国全部7个型号返回式卫星回收系统的研制，参加了25次发射飞行试验，成功率达到100%。

迈上新台阶：载人飞船回收从上世纪70年代后期“曙光一号”飞船的酝酿，到80年代“天地往返运输系统”的论证，再到1992年神舟飞船回收着陆系统开始研制，508所对飞船回收着陆系统进行了数十项改进，打造了国内回收质量最大、着陆速度最低、可靠性安全性最高、系统最复杂的航天器回收系统，使我国航天器回收着陆技术跻身世界前列。

1999年11月21日，神舟一号无人试验飞船成功降落在着陆场，我国首次完成飞船回收与着陆任务；神舟五号飞船于2003年10月16日载着航天员杨利伟安全着陆，圆了中华民族的飞天梦想；2013年6月，神舟十号飞船返回舱载着3名航天员成功着陆，宣告我国载人天地往返运输系统首次应用性飞行取得圆满成功；今年6月26日，多用途飞船返回舱安全着陆，为我国载人航天工程空间实验室阶段首次飞行任务画上了圆满的句号。

新的里程碑：绕月飞行试验器回收2014年，探月三期飞行试验器在完成近80万公里的绕月旅行后，以接近第二宇宙速度进入大气层，并采用半弹道跳跃的方式再入返回。这是我国首次航天器深空飞行后进行回收着陆，是我国航天器回收技术发展的重要里程碑。

在探月三期飞行试验器回收分系统研制中，508所首创了非平衡开伞载荷设计理念、自适应平衡弹盖拉伞方法，在降落伞尺寸效应机理研究、回收控制集成设计等方面填补了国内空白，降落伞轻量化水平达到了国际领先水平。

为了架设天地之路，508所正为实现回收着陆技术新跨越而前行。在我国后续飞船的论证和研制中，基于返回质量和飞行参数等技术条件的不同，回收着陆系统将采用基于群伞的气动减速方案，并需要在超音速条件下打开稳定减速伞。目前，该所已经成功完成大型群伞技术验证和超音速稳定减速伞技术验证，为我国载人航天的创新发展提供了重要参考。6