空间站制品载荷返回技术研究

王永滨 卢齐跃 贾贺 吕智慧

（北京空间机电研究所，北京 1 00076）

1 引言

俄罗斯“和平号”空间站上先后有27个国家参加了科学实验，截止至该空间站坠毁，其共进行了1.65×104项科学实验，完成了23项国际科学考察，产生了大量的具有科学研究价值的空间制品。但是，由于其天地往返，尤其是空间制品的下行能力偏低，曾导致空间站内的实验产品严重积压，使得大量空间科学实验成果不能及时返回地面。“国际空间站”也面临着同样的需求，在航天飞机退役以后，空间站的下行能力严重不足，只能靠“联盟-TMA”载人飞船勉强维持。因此，目前美国、欧洲和日本都在积极开展空间站制品返回技术的研究，其中欧洲和日本正在初步开展随货运飞船上下行的小型空间制品返回系统的研制，并计划在2015年前后实现空间站制品的返回[1-3]。

我国载人空间站工程已正式启动实施，2020年前后将建成规模较大，长期有人参与的国家级太空实验室。后续在空间应用领域会产生大量的有效载荷需要返回地面，对载荷下行系统提出了较高的要求。从国外空间站的正常运行与应用发展方面看，空间制品的及时下行运输系统是空间站应用系统必不可少的支持系统，是空间站工程的重要组成部分。因此，开展空间制品载荷返回技术研究，发展高效灵活、及时便捷的空间制品返回系统是非常必要的，对后续空间站和空间科学应用的发展具有重要的战略意义，是对空间站工程的重要技术支持。

2 国内外研究状况

目前能够实现空间制品返回地面的技术途径主要包括航天飞机、载人飞船和货运飞船。

航天飞机具备能够将大量空间制品有效载荷返回地面的能力，但是由于其造价高、成本高、系统复杂的更多种因素，航天飞机于2011年退役。

载人飞船具备将航天员安全返回地面的能力，同时其自身还具备一定的运载空间制品有效载荷的能力。受空间和质量的限制，载人飞船每次能够运送的载荷有限。

货运飞船完成对载荷的上行任务后，需要坠毁在预定地点，其坠毁的过程是受控的，故可利用货运飞船再入过程进行制品的返回。其方案一般是在货运飞船上固定一个可以返回的小型返回舱，利用该返回舱可实现对载荷的下行。目前国内外对于空间制品的返回基本上是基于货运飞船进行设计，以下本文针对国内外的研究进展进行说明。

2.1 俄罗斯研究状况

20世纪70年代的“进步号”货运飞船只完成将货物和推进剂运送到空间站的上行运输任务，不能把空间站的货物运送回地面。随着空间站的发展，俄罗斯在“进步号”货运飞船安装“彩虹号”返回舱，提供返回能力。“彩虹号”是由彩虹设计局设计，“彩虹号”能携带约150kg固体货物（如拍摄过的胶片、数据磁带、加热炉样本以及其它物品），总质量为350kg（含150kg的返回载荷），共占用200kg的发射运载能力。

从1990年9月到1994年5月，“彩虹号”回收舱随着“进步号”共飞行了10次，平均每年约2～3次，除第一次试验时再入过程中回收舱丢失外，其余9次试验均顺利完成空间制品的回收任务。图1所示为“彩虹号”外形结构图。“彩虹号”是目前唯一成功实现从空间站下载载荷的小型返回舱（不包含载人飞船和航天飞机）。[4-5]

图1 “彩虹号”外形图Fig.1 Theoutlinedrawing of"Rainbow"

2.2 欧洲研究状况

由于目前空间制品载荷回收具有重要意义，欧洲多个国家都在积极开展相关项目研究。载荷返回系统（Payload Return System,PARES）是一种小型的可展开回收舱，由自动转移飞行器 （Automated Transfer Vehicle,ATV）或其他货运飞船运送到国际空间站，存放在国际空间站甲板上或者货运飞船内，携带数百千克下行制品载荷，利用货运飞船实现离轨和再入。图2是PARES安装和展开状态的示意图[6]。

图 2“PARES”示意图Fig.2 Diagram of“PARES”

2.3 日本研究状况

日本航天局从2004年开始对货物转移飞行器（H-ⅡTransfer Vehicle,HTV）货运飞船的样本返回系统进行了概念研究。当货运飞船从国际空间站分离时，回收的载荷主要包括实验样本、微重力实验结果、生命科学和空间材料实验的产物。其主要采用一个放置于货运飞船内部的小型返回舱，实现将空间站的有效载荷下行。图3所示为货运飞船上的航天员对制品返回器的搬运操作过程[7]。

图3 HTV中航天员的操作过程Fig.3 Operation processof astronaut in HTV

2.4 国内研究状况

目前国内货运飞船正在研制中，基于货运飞船进行制品返回的技术正处于论证阶段。另外国防科技大学提出基于空间站充气式下载系统的概念，正在开展相关技术研究。北京空间机电研究所进行了充气式阻尼结构的研究，该结构可应用于充气式下载系统。目前已完成了该结构的原理样机的研制，并进行了高塔投放试验。

3 空间制品返回方案概述

本文主要针对基于货运飞船的空间制品返回技术进行论述。目前国外研究主要采用一个可以返回的小型无动力返回舱，由航天员将空间制品装载至返回舱内，这个小型返回舱安装在货运飞船的对接口位置。在货运飞船有控坠毁的过程中，在适当时机将返回舱抛出，返回舱以弹道式再入的形式进行大气，后续采用气动减速的形式将速度减少到安全着陆的程度。以下针对国外研究的不同的返回方案分别进行说明。

3.1 不可展开舱体方案

不可展开舱体方案是指返回舱从货运飞船弹射出去后外形保持不变，最终舱体通过自身气动外形和降落伞装置实现减速着陆。

航天员完成对载荷的装载任务后，将舱体固定在货运飞船舱门位置，当货运飞船运行到预定轨道高度时将制品返回器以一定的线速度和角速度弹射出。制品返回器依靠自身的气动外形进行减速，当减速到适宜速度时采用降落伞减速，最终完成对载荷的回收任务。

目前成功完成对载荷回收的小型返回舱，如“彩虹号”返回舱就是采用的这种方式。该方法具备结构形式简单、对于防热要求较低、气动特性稳定的优点。

3.2 结构展开式舱体方案

与不可展开舱体方案不同的是，结构展开式舱体方案具备改变自身气动外形的展开装置，最终舱体通过展开后的气动外形和降落伞装置实现减速着陆。

当舱体离开货运飞船后，依靠自身的展开装置，可将自身的阻力面积增大，最终起到气动减速的效果。采用结构可展开式舱体可以有效利用货运飞船舱口的尺寸空间，有效的增加载荷的装载量。目前PARES采用的展开方案之一就是这种方案。如图4所示为一种典型的结构可展开式舱体结构。该结构在展开后，由24片防热瓣共同组成一个减速裙面。该方案具备系统减速性能好、开伞速度低、防热特性可控、装载有效载荷质量大的优点[8]。

图4 结构可展开式舱体方案Fig.4 Scheme of structural deployable cabin

3.3 充气展开式舱体方案

与不可展开舱体方案不同的是，充气展开式舱体方案通过充气装置改变自身气动外形，从而实现有效气动减速。相对结构展开式舱体方案，充气展开式舱体最终采用充气式展开结构进行气动减速，而不需要降落伞装置。

如图5所示为充气可展开式舱体方案。当舱体离开货运飞船后，充气打开主减速模块，主减速模块形成倒锥形的防热结构，通过该防热结构可以保护舱内的有效载荷。当舱体减速至亚声速时打开第二级减速模块，该模块可达到传统降落伞减速效果，最终实现携带有效载荷的舱体着陆。该方案具备系统减速性能好、返回过程工作程序少、装载有效载荷质量大、系统集成度高的优点[9-11]。

图5 充气可展开式舱体方案Fig.5 Schemeof inflatablecabin

3.4 方案比较

通过之前对几种方案的概述，对上述三种方案进行了对比分析，分析结果如表1所示。

表1 三种方案特点对比Tab. 1 Comparison between three schemes

4 关键技术及解决途径

通过国内外的研究现状分析及对比，可初步考虑结合货运飞船或者空间站进行载荷的下行。即通过货运飞船或者空间站将一个携带有制品载荷的舱体（以下简称制品返回器）弹射，该舱体采用有控或无控的方式返回。最终采用自身气动外形及其降落伞等减速方式进行减速，从而实现空间制品有效载荷的无损回收。制品返回器的整个飞行过程要经受严酷的再入环境，其内部的有效载荷具有较高的环境条件要求。以下对涉及制品返回器的关键技术分别进行说明。

4.1 制品返回器分离技术

制品返回器的分离技术指将制品返回器从初始位置精确移动至待弹射位置，使制品返回器在待弹射位置稳妥固定，又能将制品返回器准确弹射出货运飞船或者空间站。由于该环节涉及到航天员的操作，故对航天员提出了较高的要求。

为了实现制品返回器的有效分离，可参考现有相关技术，如空间站交会对接技术、舱段分离技术、卫星分离技术等。另外在进行具体设计过程中，需要结合货运飞船或者空间站的具体结构及能源供给方式进行详细设计。

4.2 气动外形设计

制品返回器气动外型决定着制品返回器的返回轨道设计和防热设计，是保证制品返回器准确安全返回的关键。需要对制品返回器进行气动力特性的流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)研究及风洞试验，获取气动特性参数，验证设计性能，最终完成选型。气动外形设计可借鉴参考目前现有设计，如载人飞船、返回式卫星、再入弹头等。

4.3 回收设计

制品返回器工作的最终目标是安全获取下行载荷，制品返回器的安全回收是实现此目标的重要环节。受货运飞船或者空间站舱体尺寸限制，制品返回器的外形长细比较大，这将会导致开伞面临较大的困难，使回收的工作难度增大。针对该问题，需要对回收设计进行优化设计，通过优化开伞点、降落伞设计、系统布局等方面工作，降低回收难度。

4.4 制品返回器质心配置技术

由于空间制品存在多样性，即其状态可能是固体或者液体，其形态可能是长方体或者圆柱体，装载于制品返回器中的质心存在较大的不确定性，这可能会导致每次飞行任务的质心有所不同。制品返回器的质心偏差对返回弹道及落点精度都有着重要的影响，需要在系统布局、设计中严格控制。在设计的前期需要对质心偏差可能造成的影响进行论证和评估。

解决制品返回器的质心配置有两种解决思路。其一是在地面环境下计算出按照一定的装配顺序产生的质心，这样可以对返回弹道及落点精度提供一个预计。另外一种方案是实现在空间环境下的质心配置，此法可以解决由于突发情况等导致的不能按照预定顺序装配产生的问题。

5 结束语

本文对空间站制品返回技术研究状况进行了说明，通过对多种可行方案进行了论述并明确了各项技术的优缺点。最后本文对空间制品返回方案进行了分析，并结合该方案对存在的关键技术进行了说明，结合关键技术提出了解决思路。通过本文的论述，指出了结合目前我国空间站计划，实施对空间制品载荷下载的研究意义，同时为空间站制品的下行提供了相应的技术解决途径。

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