火星降落伞的结构设计与初步性能试验研究

2011-03-12张宇

航天返回与遥感 2011年3期

张宇

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

自从2008年“凤凰号”（Phoenix）成功着陆火星以来，作为航天技术三大重要领域之一的深空探测引起了世界各国的广泛关注。它已成为美国、俄罗斯和日本等拥有空间技术实力的国家在本世纪的重要战略目标。在深空探测领域，人类探索最多的行星是火星。迄今为止，人类先后共进行了15次火星着陆任务，其中有7次成功着陆，前苏联1次、美国6次。

火星探测的进入、减速与着陆技术（Entry，Descent and Landing,EDL）是火星探测的关键技术之一。进入、减速与着陆火星的过程与地球上的方式类似，进入大气层后一般先通过着陆舱的气动外形减速，然后弹出降落伞再度减速，在接近地面时再采用制动火箭发动机反推，使其进一步减速，最后通过气囊或着陆支架的方式进行着陆缓冲，以实现探测器的软着陆。从減速功效看，降落伞减速是人们公认的最佳手段，目前已进行的火星着陆均采用此方案。据报导美国用于火星EDL的降落伞系统全部采用盘缝带伞（Disk-Gap-Band parachute，DGB）。

随着我国航天工业的快速发展，深空探测技术也正被逐步提到议事日程上来。但是作为火星EDL重要组成部分的降落伞系统的研发目前尚未正式开展。本文以此为切入点，对火星降落伞中盘缝带伞的结构设计与性能进行研究。

2 国外发展情况

2.1 美国发展情况

美国宇航局（NASA）于20世纪60年代开始进行火星降落伞的研究，先后进行过十字伞、环帆伞和盘缝带伞等多种伞型的研究，最终采用盘缝带伞作为火星降落伞[1]。其已经发射的7个火星着陆器的降落伞系统全部采用盘缝带伞的单级气动减速，并且将“海盗号”（Viking）着陆器的盘缝带伞的结构设计参数，作为盘缝带伞设计标准而被广泛参考应用。目前在研的“火星试验室”（MSL）也采用此结构。MSL盘缝带伞的名义直径达到21.5m,伞绳长度为36.6m，共有80根伞绳（如图1所示），吊挂载荷质量为900kg，最大开伞速度马赫数为2.2，最大开伞动压为750Pa[2]，是目前最大的火星伞，MSL计划于2011年发射。

图1 MSL盘缝带伞展开图

2.2 欧洲发展情况

欧空局（ESA）于20世纪90年代开始进行火星降落伞的研究，其已经发射的“猎兔犬-2”（Beagle 2）火星着陆器（着陆后失效）的降落伞系统采用盘缝带伞+环缝伞的多级气动减速结构。目前在研的“火星生物试验室”（ExoMars）也采用同种结构，采取这种结构的优点是降落伞系统的质量较小，但缺点是开伞程序比较复杂。ExoMars盘缝带伞的名义直径为11m,伞绳长度为22m，共有36根伞绳，吊挂载荷质量为240kg，最大开伞速度马赫数为2.1，最大开伞动压为910Pa[3]。ExoMars计划于2016年发射。

目前，俄罗斯在研的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）的降落伞系统伞型不详，Phobos-Grunt计划于2011年发射，届时我国首个火星探测器“萤火一号”将一同搭载升空。

图2 盘缝带伞结构型式示意图

3 盘缝带伞结构设计

3.1 结构形式

盘缝带伞是开缝伞的一种，主要由伞衣、伞绳和吊带等组成。其中伞衣由平面圆形“盘”和圆筒形“带子”组成，中间有较宽缝隙将两者垂直分开，伞衣幅顶部呈三角形，底部呈矩形[4]。由于盘缝带伞的伞衣上有较宽的缝隙，因此稳定性较好，摆动角一般在5°～10°之间。盘缝带伞的阻力系数约为0.4～0.7。具体结构型式见图2。

3.2 结构设计参数

随着Viking着陆器的成功着陆，其盘缝带伞的结构设计参数便成为了盘缝带伞结构设计的标准之一。Viking盘缝带伞的结构透气量为12.6%，带宽比（带面积与名义面积之比）为35%，缝宽比（缝面积与名义面积之比）为12%。具体结构设计参数见表1[8]。

表1 各种盘缝带伞的结构设计参数

NASA和ESA在后续型号盘缝带伞的设计都是在Viking盘缝带伞基础上改进而成。由于两者在火星EDL用盘缝带伞的设计思路上有所不同，因此具体结构上也有明显差异，主要体现在结构透气量、带宽、缝宽等方面。

Phoenix和MSL盘缝带伞的设计基本上沿用了Viking盘缝带伞的结构参数，其结构透气量均为12.8%[5]。本文将这种伞型称为Viking型盘缝带伞，该伞型兼顾阻力性能和稳定性要求。

“火星探路者”（MPF）和“火星漫游者”（MER）盘缝带伞的设计分别采用了1.9倍和1.8倍的Viking盘缝带伞的带宽，其结构透气量分别为8.9%和9.8%[6－7]。本文将这种伞型称为MPF及其改进型盘缝带伞，该伞型比较强调稳定性要求。

ExoMars盘缝带伞的设计采用了两倍的Viking盘缝带伞的缝宽，其结构透气量为22.4%。本文将这种伞型称为ExoMars型盘缝带伞，作为减速伞，该伞型也比较强调稳定性要求。

鉴于ExoMars型盘缝带伞只用做减速伞，阻力系数较小，因此本文倾向于参考阻力系数较大的Viking型和MPF及其改进型盘缝带伞进行结构设计。

3.3 设计结果

在参考Viking型和MPF及其改进型两种盘缝带伞参数的基础上，本文充分考虑了后续性能试验条件对伞衣尺寸和结构强度的要求展开具体结构设计，共设计出4种名义面积为2m2的盘缝带伞。这4种伞伞衣分别采用了544涂层锦丝绸和K58326-3高强锦丝绸两种不同织物透气量的材料（544涂层锦丝绸的织物透气量为0，K58326-3高强锦丝绸的织物透气量为150～350 L/（m2·s）），伞绳采用的是高强聚乙烯（PE）绳。具体设计结果见表2。