太空飛行器回收系統

太空飛行器回收系統，是太空飛行器上為回收而設定的各種裝置的組合。

回收屬太空飛行器返回過程的最後階段──著陸階段。種類太空飛行器經專門減速裝置減速後，以一定速度安全著陸稱為軟著陸；未經專門減速，直接撞地著陸稱為硬著陸。回收系統是實現軟著陸的有效手段，常稱軟著陸系統。

太空飛行器回收系統需要太空飛行器返回技術，它是使太空飛行器脫離原來的運行軌道進入地球大氣層並在地面安全著陸的技術。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器回收系統
• 外文名：spacecraft recovery system
• 定義：太空飛行器上為回收而設定的裝置組合
• 回收階段：著陸階段
• 操作：陸地降落、海面濺落、空中鉤取

歷史

太空飛行器回收著陸技術是航天技術的重要組成部分,也是北京空間機電研究所1958年8月21日組建以來,直至現在的50年發展歷程中最穩定、最健全的專業技術,不管研究所承擔的任務和研究的方向怎么變化,專業發展怎么變動,回收著陸技術總是作為其主導專業方向健康地存在著、發展著。它與我國航天事業的發展,心心相印、休戚相關,為其做出了貢獻和力量,取得了舉世矚目的成就。太空飛行器回收著陸技術是第二次世界大戰以來,隨著火箭、飛彈、航天(空間)技術發展而發展起來,並得到廣泛套用的一門綜合性套用技術。它涉及到的技術面比較廣,一般有飛行器總體設計、結構設計、氣動力減速技術、無線電技術、控制技術、火工技術以及供配電技術等;另外在研製過程中還需用到許多試驗和測試技術。特別是空投試驗技術,是回收著陸技術中廣泛使用的必配的試驗手段,其在型號整個回收著陸系統研製中,不論在人力和物力上都占有相當高的比重和位置。我國太空飛行器回收著陸技術,從1958年8月21日開始,直至現在的50年發展歷程中,所有航天型號的回收著陸任務都是由北京空間機電研究所完成的。

回收和著陸技術

彈道式、半彈道式再入太空飛行器須由回收系統使其進一步減速，最後乘降落傘垂直著陸或濺落。太空梭在自動著陸系統的控制下,從3公里的高度開始下滑，降到 500米左右的高度時開始作拉平機動，降到150米左右的高度時放下著陸架,接著在跑道上觸地滑行，完成最後的著陸動作。

回收系統是彈道式和半彈道式返回型太空飛行器的必不可少的重要組成部分（見太空飛行器返回技術）。

返回原理：

太空飛行器有心力場天體力學飛向地球空氣阻力D大氣密度ρ：

高層大氣對流傳熱輻射傳熱

功用

載人飛船、照相偵察衛星、生物衛星等返回型太空飛行器的返回艙再入大氣層後，下降到20公里左右的高度時達到穩定下降速度的狀態。如果不進一步採取減速措施,返回艙會以相當大的速度（約150～200米/秒）沖向地面。返回艙一般選用鈍頭再入體的氣動外形，這類返回艙在亞音速區域是不穩定的，表現出大幅度的擺動、旋轉甚至翻滾。隨著飛行高度的降低和速度的進一步減小，這種姿態的不穩定性越趨嚴重。返回艙的這種不穩定性會使艙內的航天員頭暈，引起黑視，甚至暈厥。回收系統在這個臨界時刻開始工作，展開氣動力減速裝置使返回艙在亞音速區域保持姿態穩定，然後逐級展開氣動力減速裝置使返回艙有控制地進一步減速，直至以一定速度安全著陸。與此同時回收系統不斷發出信標信號和施放顯跡標記，使地勤人員易於發現，及時找到航天員、取回照相膠片或生物試樣。

分類

太空飛行器的回收可以選擇陸地降落、海面濺落或在空中用飛機直接鉤取等3種方式,因此相應有陸上回收系統、海上回收系統和空中回收系統。

組成載人飛船、返回式衛星等返回型太空飛行器所採用的回收系統基本上是相同的,但對於載人飛船來說,不僅要求回收系統有更高的可靠性，而且為適應正常返回和應急返回的需要，回收系統還應保證飛船同時具有海上濺落和陸上著陸的能力。

按系統所採用的減速裝置分為降落傘著陸系統、降落傘-緩衝火箭著陸系統和降落傘-緩衝氣囊著陸系統。

回收和著陸技術是實現無人或載人空間探索極其重要的一項支撐技術。美國NASA在2005年針對空間探索計畫完成了“空間探索系統體系研究”,並確定了15個戰略方面的能力發展路線圖,其中在三大方面均涉及到回收與著陸技術,包括“機器人到達行星表面”、“載人星際飛行著陸系統”、“載人探索系統和機動”等。在15個戰略路線圖中確定了近200項關鍵技術,其中24項為最高效益的關鍵技術,涉及回收著陸技術的方面包括“精確安全地載人飛行、著陸和返回”、“精確安全地大質量貨物運輸、著陸和返回”、“研製無人自動飛行器和任務管理系統”等。

傘類

減速傘是變透氣量的錐形帶條傘,採用一級收口。減速傘的設計繼承了太空梭、F-16等阻力傘的設計,開傘馬赫數小於0.8。

主傘為環帆傘,採用兩級收口方式。拉出主傘的引導傘為環縫傘。美國曾在1997年Kistler項目中研製出由三個直徑4715m的環帆傘組成的減速系統,在2006在PAD項目中採用了四個直徑4715m的環帆傘。這些項目的空投試驗均取得成功,為“獵戶座”飛船主傘的研製打下了很好基礎。

降落傘發展概況

降落傘回收技術是40年代後期開始發展的,最初用於回收探空火箭的實驗儀器,50年代用於回收無人駕駛飛機、靶機等航空器和試驗飛彈，60年代廣泛用於回收衛星、飛船等返回型太空飛行器的返回艙。70年代，降落傘著陸技術也套用到太空飛行器在行星表面的軟著陸。降落傘技術在這一進程中得到了很大的發展。

降落傘系統的設計指標

1)開減速傘時返回艙質量7710kg,著陸時質量為6530kg;2)正常著陸速度不大於719m/s,在一個主傘失效情況下著陸速度不大於10m/s;

3)降落傘系統應保證“一次故障工作,二次故障安全”;

4)降落傘系統能夠在單個降落傘收口失效情況下正常工作;

5)降落傘系統承載部位的最小安全係數116,關鍵受力部位為2;

6)降落傘系統能經受180天飛行環境。

緩衝類

從月球返回地球是在陸上著陸,從空間站返回可以在海上或陸上著陸。這要求著陸系統設計適應不同的著陸地形。NASA對幾種陸地著陸緩衝方式進行了研究和評估,包括反推發動機、緩衝氣囊、壓潰結構等。儘管反推發動機是最輕、最可靠的緩衝著陸方式,但考慮到需要重複使用以及著陸姿態等要求,最終傾向於採用氣囊緩衝。採用氣囊緩衝有利於保護乘員艙,能更好適應降落傘的擺動和水平速度,著陸後有更好的穩定性。目前由Irvin公司和ILCDover公司分別獨立研製了兩種氣囊系統,並在NASA蘭利研究中心進行了初步的著陸衝擊試驗

兩種氣囊均是採用由內外囊組成的排氣式結構,氣囊的外囊上有排氣口,觸地後排氣口破裂,外囊泄壓,而內囊不排氣。緩衝氣囊採用高壓冷氣源充氣。氣囊的設計不僅要求在正常著陸條件下工作,還要求能夠在降落傘失效、大的水平風、不利的地面坡度等惡劣條件下起作用。

由於對過載和過載上升率有要求,因此需採用球形或圓柱形氣囊降低初始過載。對於氣囊的設計,充氣壓力、排氣口、緩衝距離、穩定性等都是重要參數。ILC公司初步設計是採用八個氣囊。原設計每個氣囊為一個排氣口,直徑為273mm。為提高可靠性,現已準備改為兩個排氣口。兩種氣囊在NASA蘭利中心進行了原理性著陸衝擊試驗,共完成兩種工況41次試驗。一種是垂直投放,垂直著陸速度718m/s。另一種是擺動投放,著陸時垂直速度716m/s、水平速度1717m/s。與“阿波羅”飛船相似,“獵戶座”飛船返回地球也是採用跳躍方式進入。再入過程採用慣性導航和GPS導航結合,此外還考慮增加大氣壓力感測器提供高度數據。為防止GPS故障,還可能增加雷達高度計以確保降落傘和氣囊在安全高度展開。返回艙大約在12km高度打開減速傘,在214km高度減速傘分離,同時彈出引導傘並拉出主傘,30s後拋防熱大底,約在300m高度氣囊充氣展開,40s後著陸。飛船的著陸精度約為5km。

組成部分

氣動力減速分系統

彈道式和半彈道式返回型太空飛行器都用降落傘作為減速裝置，一般由二級降落傘組成氣動力減速分系統。第一級為穩定傘，其作用是保證返回艙在亞音速區域的穩定性,並使返回艙初步減速,為主傘開傘創造條件。穩定傘通常選用開傘動載小、穩定性好的錐形帶條傘。一般返回艙都只有一具穩定傘，個別重型返回艙（如“阿波羅”號飛船）裝有二具穩定傘。第二級為主傘，其作用是保證返回艙以一定的速度安全著陸，通常選用阻力效率高、工作可靠、穩定性好和開傘動載較小的環帆傘。主傘一般為單傘。但當回收重量大時也採用多傘系統。由於主傘面積很大，一般都通過傘衣收口實現二次或三次開傘，以減小開傘動載，提高開傘可靠性。

著陸緩衝分系統

為保證返回艙結構的完整和航天員的安全，必須儘可能減小返回艙的著陸衝擊過載。常用的緩衝裝置有緩衝火箭、緩衝氣囊和其他緩衝結構。"聯盟"號飛船採用緩衝火箭和航天員座椅上的緩衝結構組成著陸緩衝分系統。"水星"號飛船採用緩衝氣囊和航天員座椅上的緩衝結構組成著陸緩衝分系統。對海上濺落的載人飛船,主傘的最終下降速度約為9米/秒,而在返回艙乘主傘下降時調整其懸掛姿態，使返回艙底面的銳邊首先著水，利用海水的緩衝作用使返回艙著水衝擊過載大為減小，同時輔以航天員座椅上的緩衝結構達到安全濺落目的。

標位分系統

彈道式返回太空飛行器的落點散布範圍一般很大，所以在返回艙上裝有多種標位裝置，通過光、聲、電波等多種途徑幫助地勤人員及時標定返回艙的落點位置。標位分系統通常以無線電信標機為主，輔以閃光燈、海水染色劑和水下發聲彈等。

控制-作動分系統

它的作用是控制和執行各項回收動作，諸如打開傘艙蓋、彈射開傘、解鎖脫傘、信標機開機、緩衝火箭點火等。分系統由電源、控制元件（如時間程式機構、高度開關、加速度開關等）、作動元件（如彈傘筒、解鎖器、分離器等，常為電爆火工裝置）通過電路連線而成。

應急回收程式

回收系統不僅有正常回收程式，而且備有應急回收程式。飛船回收程式不僅能自動控制，而且也可由航天員直接手動控制。太空飛行器回收系統依需要還可能設定漂浮裝置，藉以增加浮力而浮於海面並保持一定的漂浮姿態。回收系統中的扶直裝置能產生附加浮力，使返回艙翻身；而在陸地著陸時扶直裝置能使返回艙在陸地著陸後處於直立姿態，以保證信標天線豎立，正常發射信號。

太空飛行器回收基地選址

為了使太空飛行器安全可靠地著陸和回收，必須建設返回用的著陸場。根據太空飛行器運行軌道特點，著陸場必須具備4個條件:

一是太空飛行器將從這個地區上空多圈次通過;

二是場地要開闊;

三是地勢要平緩，地表要足夠堅硬;

四是天氣狀況要好。

地區屬沙質草地，地勢平坦開闊，區內沒有大河，為中溫帶大陸氣候，全年乾燥，少雨多風，能見度高。當地人煙稀少，平均每平方公里不超過10人。

中國太空飛行器回收發展

初探第一步：探空火箭回收

1959年7月10日，508所提出T7M探空火箭研製任務，以此探索液體探空火箭研製的技術途徑。同時，這也是我國太空飛行器回收著陸技術的啟蒙型號。

1960年4月17日，T7M-003探空火箭發射升空，箭體乘降落傘徐徐降落在東海之濱，取得了我國太空飛行器回收著陸歷史上的首次成功，毛澤東稱讚這是一項“了不起的成就”。隨後，1966年發射的兩枚T-7A火箭，成功實現了我國首批次小狗上天的回收著陸任務。

堅實的第二步：國防裝備大型實驗數據艙回收

1980年5月18日，在我國首次遠程火箭全程試驗中，南太平洋成功回收數據艙是意義重大的成功範例。

在我國國防裝備大型實驗數據艙回收系統研製中，為了摸清有效載荷再入大氣層過程中的各種情況，需對再入段進行實時測量。當再入速度達到十倍音速甚至更高時，有效載荷與周圍空氣摩擦產生的溫度可達千度以上，會出現“黑障”現象。

在當時遙測方法無法解決的情況下，必須將這階段的數據先存儲在有效載荷的數據艙磁帶中，在著地前將數據艙彈出，對其實施減速並回收，然後通過回收磁帶的方式獲取數據。

508所先後參加了四十餘次發射，全部完成回收任務，使我國太空飛行器回收著陸技術得到了進一步發展。

跨越的第三步：返回式衛星回收

科學實驗衛星回收系統是我國第一個衛星回收系統，508所科研人員經過大量理論分析計算、地面試驗和風洞試驗驗證，解決了降落傘、時間機構、真空潤滑等多項關鍵技術。1976年12月10日，科學實驗衛星回收艙的回收任務成功完成，我國成為世界上第三個實現衛星回收的國家。

2016年4月18日，實踐十號衛星安全降落在預定著陸區域，為我國返回式衛星回收系統再添一枚勳章。截至目前，508所完成了我國全部7個型號返回式衛星回收系統的研製，參加了25次發射飛行試驗，成功率達到100%。

邁上新台階：載人飛船回收

從上世紀70年代後期“曙光一號”飛船的醞釀，到80年代“天地往返運輸系統”的論證，再到1992年神舟飛船回收著陸系統開始研製，508所對飛船回收著陸系統進行了數十項改進，打造了國內回收質量最大、著陸速度最低、可靠性安全性最高、系統最複雜的太空飛行器回收系統，使我國太空飛行器回收著陸技術躋身世界前列。

1999年11月21日，神舟一號無人試驗飛船成功降落在著陸場，我國首次完成飛船回收與著陸任務；神舟五號飛船於2003年10月16日載著航天員楊利偉安全著陸，圓了中華民族的飛天夢想；2013年6月，神舟十號飛船返回艙載著3名航天員成功著陸，宣告我國載人天地往返運輸系統首次套用性飛行取得圓滿成功；今年6月26日，多用途飛船返回艙安全著陸，為我國載人航天工程空間實驗室階段首次飛行任務畫上了圓滿的句號。

新的里程碑：繞月飛行試驗器回收

2014年，探月三期飛行試驗器在完成近80萬公里的繞月旅行後，以接近第二宇宙速度進入大氣層，並採用半彈道跳躍的方式再入返回。這是我國首次太空飛行器深空飛行後進行回收著陸，是我國太空飛行器回收技術發展的重要里程碑。

在探月三期飛行試驗器回收分系統研製中，508所首創了非平衡開傘載荷設計理念、自適應平衡彈蓋拉傘方法，在降落傘尺寸效應機理研究、回收控制集成設計等方面填補了國內空白，降落傘輕量化水平達到了國際領先水平。

為了架設天地之路，508所正為實現回收著陸技術新跨越而前行。在我國後續飛船的論證和研製中，基於返回質量和飛行參數等技術條件的不同，回收著陸系統將採用基於群傘的氣動減速方案，並需要在超音速條件下打開穩定減速傘。目前，該所已經成功完成大型群傘技術驗證和超音速穩定減速傘技術驗證，為我國載人航天的創新發展提供了重要參考。