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降落伞系统:航天器着陆的“平安之花”

来源:解放军报
2022-05-06 07:32:02

  原标题:国防科技大学空天科学学院讲师张梦樱为您讲述——(引题)

  降落伞系统:航天器着陆的“平安之花”(主题)

  张照星 顾 莹

  4月16日上午,一顶红白相间的降落伞在东风着陆场上空像一朵鲜花徐徐展开。随着返回舱的着陆,3名航天员安全归航,神舟十三号载人航天任务取得圆满成功。

  在广袤的东风着陆场,降落伞就是最明显的指引。只要捕捉到它的身影,地面搜救人员就如同吃了一颗定心丸。

  降落伞是利用空气阻力实现气动减速的装置,在载人航天返回、类地天体探测中发挥着举足轻重的作用。

  今天,就让大家对降落伞系统一探究竟。

新一代载人飞船群伞降落测试。资料图片

  载人飞船降落伞——

  守护航天员回家“最后十公里”

  让大家再次把视线拉回4月16日那天,回顾神舟十三号飞船的返回过程。

  神舟十三号飞船在轨飞行5圈后,首次在快速返回模式下返回地球。与神舟十二号飞船返回相比,该模式将返回时间由一天多缩短到几小时,大大改善了航天员的舒适性,提高了任务完成效率。

  经历了热障和黑障,载人飞船回收着陆的最后一棒交给了神舟飞船降落伞系统。

  距离地面10公里高度时,飞船速度由第一宇宙速度降到大约200米/秒,多级开伞程序启动。

  首先,返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力,判定开伞高度,伞舱盖自动弹出,引导伞和减速伞依次拉出。减速伞将返回舱速度减至约180米/秒。随后,飞船返回舱速度和高度进一步降低,主降落伞从伞舱弹出,经历两级充气减速,速度降至约40米/秒。此时,1200平方米的主伞完全展开,防热大底被抛掉。下降过程中,返回舱减速至约7~8米/秒,保证航天员在低速状态下平稳下降。

  经过层层开伞减速,为避免着陆缓冲段返回舱与地面“硬碰硬”,在距地面高度约1米时,返回舱精确控制4台着陆反推发动机,通过反推 “刹车”的方式,将速度降至约2米/秒,实现精准软着陆,以减轻航天员所受冲击。

  落地并非万事大吉,主伞可能会被风吹起,拖曳返回舱在地面滑跑,顺风情况下可滚动七八千米。为此,在落地瞬间,主伞上的切割器将剪断伞绳,让主伞脱落,确保返回舱不会被拖走。

  事实上,为确保航天员的安全,自神舟九号起,飞船回收着陆系统就在程序脱伞模式基础上,增加了航天员手动脱伞模式,有效避免了着陆场环境对航天员的威胁。

神舟飞船降落伞回收搜救示意图。张国斌作

  地外行星降落伞——

  护航祝融号落火的使者

  有人提出疑问,返回地球任务所用的飞船降落伞系统是否适用于各种航天任务?让大家以天问一号火星探测任务为例,探讨一下这个问题。

  天问一号着陆的红色星球——火星,素有“探测器坟场”之称。全世界累计40余次火星探测任务中,能成功穿越火星大气层,平稳着陆的仅有9次。中国之所以能成为世界上第二个成功实现火星软着陆并开展火星探测的国家,火星降落伞功不可没。

  2021年5月15日,在经历296天太空之旅后,中国首个火星探测器天问一号携带着祝融号火星车稳稳降落在首选落点——火星北半球的乌托邦平原。

  经历5分钟左右的气动减速,探测器速度降至约2马赫。此时,火星降落伞“登场”,它的任务是把天问一号从2马赫的超声速减速至95米/秒。

  火星大气层稀薄,在10千米高度、大气密度仅为地球大气密度的1/100。因此,在着陆阶段,为天问一号保驾护航的火星降落伞,与地球返回任务所用的降落伞相比,在开伞条件、工作状态和结构设计上均大不相同。

  由于火星大气层密度低,探测器在气动减速之后,速度仍比声速快,动压却只有500帕左右。在超声速条件下开伞,降落伞伞衣前将出现弓形激波流场。尽管这道激波不足以使降落伞流场环境变复杂,但伞前面还有一个探测器。探测器不仅自身会产生一道激波,还会在其后方形成一道又细又长的尾流。可以想见,当探测器尾流和伞前的激波“狭路相逢”,降落伞周围将形成高度复杂的非定常流场,导致伞衣剧烈抖动,像水母一样“呼吸”起来,产生一系列严重的“喘振”现象。

  大气层密度低会带来这样的挑战:获得同等气动阻力需要更大伞衣面积,系统重量和体积相应增加。同时,会使降落伞的稳定性降低、摆动角变大。而低动压意味着低气动阻力,进一步增大了伞从“呼吸”和摆动状态恢复稳定的难度。如此状态下,开伞可谓“步步惊心”。

  因此,在火星降落伞的结构设计上,要适应低密度低动压条件下稳定性干扰显著的问题,就要提高降落伞强度、局部结构抗抖动等复杂力学环境的能力,并注重提高降落伞抗损伤扩展的能力。

  天问一号使用的降落伞是锯齿形盘缝带伞:在平面圆形伞的盘周围增加一个环形的带,二者中间开缝。同时,在底边部分增加三角条幅,才能满足低密度低动压条件下的系统稳定性,增强局部结构承载能力。

  在局部加强材料方面,为应对火星环境,天问一号降落伞采用新的芳纶材料。另外,为了提高连接强度,伞绳也内藏乾坤,采用新的插接工艺,直接把材料本体插接在一起,避免缝纫带来的强度损失。

  降落伞的未来之路——

  大型群伞技术未来可期

  为了更好地减速,研制更大的单伞并非首选。

  2020年5月8日,3朵红白相间的巨大伞花挂着一个锥形钝头舱体在东风着陆场上空徐徐降落。这是新一代载人飞船试验船返回舱。新一代载人飞船重量是神舟飞船的两倍,最多可承载7名航天员返回地球。这就需要适应新任务的降落伞减速系统。

  新一代载人飞船试验船回收采用了大型群伞技术。群伞由3具大小与神舟飞船降落伞面积相当的单伞组成,可保证新一代载人飞船这个“大家伙”在回家“最后十公里”有效安全减速。

  除了群伞技术,针对不同任务需求,还有更多研究要点需要注意。

  比如,降落伞在地球的模拟研究。不同行星,大气环境也不同,传统的地球低高度空投试验不能有效验证行星降落伞系统是否合格。要想知道不同行星环境下降落伞是否可按照预想可靠工作,需合理选择关键参数,模拟行星大气开伞的实际条件,通过多次地面验证,才能准确回答这一问题。

  还比如,对降落伞的材料及强度的研究。研究人员必须追踪高性能柔性织物材料的发展,材料性能的提升会带来设计方案的变革。

  在未来一段时间内,降落伞仍旧是航天器着陆的首选减速设备。根据规划,2022年中国载人航天工程将完成6次发射任务,包括天舟四号和天舟五号货运飞船、神舟十四号和神舟十五号载人飞船,以及问天实验舱和梦天实验舱的发射。届时,中国空间站将全面建成,中国载人航天工程可谓“好戏连台”。

  让大家共同期待红白相间的飞船降落伞再次在东风着陆场高空绽放,护送航天员安全归航。

责任编辑:王沥慷

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