新一代载人飞船试验船回收着陆系统任务特点分析

雷江利 牟金岗 赵广秀 李朋迪

（1 北京空间机电研究所 2 中国航天科技集团有限公司航天进入、减速与着陆技术实验室）

近年来，美、俄等国均在加紧研制功能和性能更强的新一代载人飞船，瞄准载人深空探测、空间站服务、深空居住等多个领域的应用，主要包括美国国家航空航天局（NASA）的“多用途乘员飞行器”（MPCV）、太空探索技术公司（SpaceX）的“载人龙”飞船（Crew Dragon）、波音公司（Boeing）的“星际客船”（Starliner）飞船以及俄罗斯与欧洲合作研制的新型“未来载人运输系统”（PPTS）。在着陆方式上，“多用途乘员飞行器”和“载人龙”飞船选择了以倾斜姿态水面直接溅落的方式，而“星际客船”的气囊缓冲方案则能够同时适应着陆和着水两种方式[1-2]。

我国新一代载人飞船采用全新的气动外型返回舱，全面兼顾近地轨道自主飞行、空间站运营、载人登月、深空探测等多种飞行任务，采用群伞系统气动减速和大载重气囊着陆缓冲的减速着陆方案。通过配置不同的服务舱模块，可以满足多任务目标，具备人员往返、货物运输等多种用途，预计2026年前后将具备载人飞行能力。新一代载人飞船试验船搭载长征五号B（CZ－5B）运载火箭成功完成了飞行试验任务，为我国后续新飞船的研制立项和方案优化设计提供了强有力的支撑。

1 回收着陆系统概况

从航天器系统组成角度来看，在大气层内利用降落伞进行减速的部分均可称为降落伞减速系统，利用着陆缓冲装置进行缓冲着陆的部分均可称为着陆缓冲系统，两者统称为减速着陆系统。而对于载人飞船，负责飞船返回舱减速着陆的系统通常也可称为回收着陆系统。减速着陆是载人航天活动的最后步骤，也是载人航天任务成败的最终标志，负责飞船减速着陆的回收着陆系统是载人飞船最为关键的分系统之一[3]。

新一代载人飞船试验船回收着陆系统从2016年初开始研制，到2019年底历时约4年完成了相关的设计和试验验证工作，并出厂参加飞行试验。研制过程采用了一步正样、分类管理的全新模式，先后攻克了多项技术难题，初步掌握了大型群伞系统气动减速、大载重主动排气式组合气囊着陆缓冲、大型返回舱模型吊挂式空投试验等关键技术，研制出了目前国内回收质量最大、着陆速度最低、系统组成和工作程序最复杂的一套载人航天器回收着陆系统，主要由控制子系统、降落伞子系统、火工装置子系统、结构子系统、着陆缓冲子系统、标位子系统产品以及控制软件组成。

回收着陆系统加电启动后由控制子系统进行自动判断，选择相应的工作程序。首先将降落伞连接分离机构舱盖以一定的分离速度弹射出去，随后弹射打开两具减速伞；减速伞开伞后先后解除二级收口并充气至全张满状态，返回舱下降到一定高度后主伞舱盖解除约束、减速伞与返回舱分离将主伞拉出，主伞开伞后先后解除二级收口并充气至全张满状态。返回舱乘主伞稳定下降至一定高度时抛掉防热大底，然后转换为双点吊挂状态，为缓冲气囊工作创造条件。在预定的高度，缓冲气囊开始充气展开，随后着陆敏感器加电工作并实时判断返回舱的状态，同时发出缓冲气囊排气和着陆信号。

2 回收着陆系统任务与功能

新一代载人飞船试验船回收着陆系统的任务主要包括两个方面：

1）通过自动控制技术，利用降落伞减速装置，实现返回舱在再入大气末段的气动减速，通过着陆缓冲手段，保证返回舱以规定速度及过载安全着陆地面，落地后实现自动脱主伞。

回收着陆系统主要工作过程示意图

2）通过闪光标位手段，为返回舱提供标位功能，提供地面搜索信号。根据上述任务要求，回收着陆系统启动后正常情况下按照正常回收着陆程序工作，能够自动检测系统故障并进行处置；通过群伞系统使进入稠密大气层并已达到稳定下降速度的返回舱进一步减速，保证返回舱下降速度满足着陆缓冲气囊的工作要求；返回舱着陆时采用气囊缓冲装置将乘降落伞下降的返回舱再次制动，并确保着陆冲击过载满足要求，最大限度保障返回舱结构完好，满足可重复使用需求；同时确保着陆前正常工作的伞系不会自动脱伞，着陆后实现自动脱主伞；返回舱落地后通过闪光标位手段，为返回舱提供标位功能，提供地面搜索信号。

新一代载人飞船试验船回收着陆系统能够实现自动控制、着陆缓冲、气动减速、自动脱伞、标位搜寻五大功能。

回收着陆系统功能组成示意图

3 回收着陆系统工作及任务特点

工作特点

回收着陆系统的工作表现出以下特点：①系统必须具有高可靠性；②工作必须具有自主性；③工作过程具有不可逆性；④与航天器总体关系密切；⑤产品要经受整个飞行环境的考验；⑥工作受其他系统影响大；⑦一次性工作的产品比较多，如降落伞产品、火工装置产品、缓冲气囊产品等[4-5]。

另外，载人飞船回收着陆系统的工作成败直接关系到航天员的生命安全。由于飞船返回舱在返回过程中处于高速运动状态，工作过程是由一系列不可逆的按时序执行的动作所组成，因此工作程序需要适应多种状态，而且回收着陆系统工作时高度相对较低（一般在10km以下启动），一旦回收着陆系统在工作过程中出现故障征兆，外界无法有足够的时间采取营救措施，因此对系统的可靠性冗余设计、故障模式识别和故障容限能力具有较高要求。此外，由于控制器和时间控制器之间既不同于并联关系又有别于冷储备关系，高度控制器之间也不是简单的并联关系，以及降落伞系统组成和工作过程的复杂性，导致回收着陆系统的可靠性冗余设计和评估存在其独有的特殊性和评估方法[6-7]。

基于以上工作特点，新一代载人飞船试验船回收着陆系统在可靠性设计时重点关注顶层设计，首先在系统层面开展冗余设计，确保回收系统固有可靠性，并主要从工作程序可靠性、关键环节可靠性、单机产品可靠性等多个方面进行了相应的设计。

任务特点

根据新一代载人飞船的需求目标和约束条件，在总体层面进行分析，最终设计出满足目标和约束的回收着陆系统，包括初始条件和要求、终端条件和要求、系统基本配置和布局约束条件等[5]。需求和目标的实现应在约束条件下反复进行迭代分析、比较和权衡，包括经费约束、进度约束、技术约束以及政治条件和政策安排等[8]。此外，回收着陆系统降落伞、缓冲气囊等柔性产品的加工精度具有较大的离散性，并且真实状态的系统级试验验证模拟较为困难，同时飞行试验边界条件具有较大的不确定性，而降落伞系统发生失效的后果则具有很高的致命性。

与“神舟”飞船返回舱不同，新一代载人飞船试验船返回舱采用了密封舱和非密封舱相互独立的设计方案。根据飞船设备安装布局，回收着陆系统的产品均安装在非密封舱内，因此产品在发射、在轨运行和返回再入段会经受复杂多变的大气压力环境，降落伞和缓冲气囊属于采用压力包装的柔性装置产品，因此在折叠包装和安装布局设计时均需要考虑到外界环境压力变化对产品安装和工作特性可能造成的影响。

（1）降落伞系统特点

与单伞系统相比，群伞系统工作时的拉直开伞、充气展开过程、各级开伞载荷、舱伞系统动力学均呈现出不同的特性，设计时需要考虑各伞之间的开伞不同步、相互缠绕、流场耦合干扰等因素。同时，群伞系统热备份的工作方式、失效机理、故障模式和可靠性冗余设计思路与“神舟”飞船主备两套系统冷备份的方式也有较大区别。

降落伞系统的工作直接关系到试验船返回舱能否安全着陆，因此对降落伞系统的工作可靠性要求很高。尽管有“神舟”飞船降落伞系统设计和应用的成功经验可供借鉴，但由于新一代载人飞船试验船返回舱的安装布局、系统结构、几何尺寸、质量特性、工作条件等均发生了很大变化，而且受到质量与体积的限制、返回舱布局构型的约束，与“神舟”飞船降落伞系统集中式安装布局不同。新一代载人飞船试验船返回舱减速伞组件布局在返回舱上部、主伞组件布局在返回舱下部，这种分布式布局方案使降落伞系统的开伞方式、工作程序、舱伞系统动力学特性及其设计都具有独特的特点。

（2）着陆缓冲系统特点

针对新一代载人飞船试验船返回舱重复使用的需求，着陆缓冲过程中和缓冲结束后均应避免返回舱大底和结构接触到地面。因此，气囊排气后应对返回舱形成有效的支撑，即缓冲气囊需要采用多腔体的设计方案，既要保证着陆缓冲过载满足要求，又要避免舱体反弹造成结构损伤或者倾倒，气囊的排气时机选择和排气参数设置尤为重要。

此外，为了避免在较大的水平速度下着陆缓冲时返回舱出现侧翻的现象，应重点考虑着陆缓冲过程中的稳定性，需要采用能够适应不同着陆地形、返回舱着陆姿态等复杂工况的排气控制策略。

4 技术特点及性能评估

1）新一代载人飞船试验船回收着陆系统是目前国内回收质量最大、着陆速度最低、系统组成和工作程序最复杂的一套载人航天器回收着陆系统。在国内载人航天器回收领域首次采用群伞系统气动减速和大载重气囊着陆缓冲的方案，实现了返回舱无损着陆回收。主要技术指标达到国内领先、国际先进水平，填补了大载重气囊缓冲技术的国内空白。

2）综合考虑整船的布局优化设计需求，采用分布式布局下的减速伞单独弹射开伞与主伞组件集群式开伞相结合的方案，以及开伞过程分析与控制技术，实现了整船质量和质心特性最优化配置；缓冲气囊采用组合式结构，同步实现返回舱着陆缓冲和支撑保护功能，气囊采用结构赋型设计技术，提高载荷传递效率，控制着陆冲击过载，结合基于分布式过载信号的气囊主动排气控制策略，实现了大质量返回舱无损回收，为整船的重复使用奠定了基础。

3）减速伞及主伞系统均采用热备份冗余设计方案。在降落伞连接分离机构舱盖弹射和主伞舱盖解锁分离环节，均采用了全新的冗余设计技术，在满足弹射速度指标、连接力和冲击载荷指标的同时，实现正常和故障模式下的舱盖弹射分离。

4）通过降落伞连接分离机构多模式连接与分离方案设计，实现了减速伞正常连接与分离、故障模式下的故障隔离和冗余分离、着陆和着水模式下的返回舱垂挂转换及脱主伞等功能，是目前功能最复杂、集成度最高、承受冲击载荷能力最强的一套载人航天器用多模式降落伞连接分离机构。

5）群伞系统多级收口工作特性、载荷特点与单伞、单级收口方式区别较大，通过采用多级收口方案、收口绳状态约束及解除控制技术，达到了群伞系统充气展开和载荷控制的目的，实现了降落伞各级开伞过载的一致性均衡控制。

6）充分将物理试验与仿真试验相结合，优化试验方案和流程。通过试验实施掌握了大型试验过程冲击载荷控制、直升机外挂起飞与投放控制技术，大尺寸、大质量的返回舱试验方案设计和试验实施技术处于国内领先水平。

7）闪光标位器、时间控制器、压力传感器等部分产品采用了“神舟”飞船飞行试验的返回件，对飞行产品重复使用的模式进行了初步的探索和研究，为后续新一代载人飞船的重复使用积累了试验数据。

5 结论与建议

进入、减速与着陆过程是载人深空探测任务的最后步骤，回收着陆系统能否正常工作是确保航天员安全返回的关键，也是载人深空探测任务成败的最终标志。结合目前深空探测任务呈现出的特点，我国后续在新一代载人飞船回收着陆系统的研制中应重点关注以下几个方面，针对性地开展关键技术攻关：

1）对返回舱重复使用和着陆稳定性提出了更高的要求。应尽量避免返回舱倾倒和结构受损，回收着陆系统降落伞、气囊产品也应开展重复使用所涉及的无损检测、状态修复、性能评估等关键技术研究。回收着陆系统要能够适应不同任务、不同返回模式的需求，通过快速响应和迭代组成不同数量和规模的群伞减速系统，实现针对不同任务的最佳优化组合配置。

2）仅通过实验室研发和环境模拟试验并不能彻底解决所有关键技术并最大限度降低风险，基于高空气球和高性能大型运输机模拟真实条件试验验证的能力是一个关键。新一代载人飞船大尺寸、大质量返回舱对试验的平台设备、试验模拟技术提出了更高的要求，如何更真实地模拟地面着陆环境、返回舱着陆姿态、降落伞开伞条件等试验技术研究，对试验验证的充分性和有效性至关重要，同时需要对试验缩比等效准则、可靠性验证方法和评估理论开展深入研究，优化试验方案并提高验证效率。

3）为适应大质量返回舱减速的需求，需要掌握群伞系统设计理论和方法。利用新发展的降落伞流固耦合仿真及动力学建模仿真理论和方法，研究群伞的工作特性，研发高可靠、高性能的群伞减速系统，提高降落伞减速的可靠性。目前，国内的相关研究尚处于起步阶段，需开展深入的基础理论研究，突破群伞系统建模和分析技术，为方案设计优化提供支撑。

4）针对大型复杂群伞系统高动态、柔性大变形特点的充气展开过程，各伞之间的相互作用和影响均有别于单伞系统，直接载荷和变形测量更加困难，需要着重发展和突破非接触式、高精度图像测量和分析技术，获取开伞充气过程的关键特性参数，深入掌握群伞系统工作特性。

我国通过返回式卫星、载人飞船和探月工程任务的实施，已经实现了从近地轨道第一宇宙速度再入返回到深空探测第二宇宙速度再入返回的跨越，为后续的深空探测任务奠定了技术基础。在新一代载人飞船试验船回收着陆系统研制过程中，我国已初步掌握了群伞系统气动减速技术、大载重气囊缓冲和稳定性控制技术，这为我国后续开展新一代载人飞船研制和载人深空探测工程立项奠定了坚实的基础。后续我国将进行载人深空探测与返回相关的减速着陆新技术研究和关键技术攻关，进一步促进减速着陆技术的全方位发展。