可重复使用航天器回收着陆技术综述.pdf

SPECIALSUBJECT专题报道返回与再入技术研究RECOVERY&LANDING可重复使用航天器回收着陆技术综述黄伟（北京空间机电研究所）可重复使用航天器是航天技术领域的重要发展方向，包括可重复使用的飞船、卫星、空间探测器、运载火箭、空天飞行器等。与一次性使用航天器相比，可重复使用航天器的突出优势主要在于通过多次使用降低单次任务成本，通过维护保障从而缩短研制周期并提高任务的灵活性等。08中國航天2 0 2 3 年第8 期晨专题报道09自1 9 8 1 年美国“哥伦比亚”航天飞机首飞以来，可重复使用航天器一直在发展。尤其是近年来，国际上航天军事化、商业化的拓展，以及载人深空探测的再次兴起，对低成本自由进入空间的能力提出了巨大需求，可重复使用航天器成为国内外航天技术的热点。美国太空探索技术公司（SpaceX）研制的“猎鹰”运载火箭已经常态化可重复使用，可重复使用的“龙”飞船已成功飞行。美国波音公司的CST-100可重复使用飞船已研制成功，并开展了飞行试验验证。我国也正在发展可重复使用运载火箭，并开展了关键技术攻关和演示验证；新一代载人运输飞船将实现可重复使用，目前已成功完成试验船的飞行试验验证；可重复使用卫星已经完成研制，并具备飞行条件。此外，可重复使用的空天飞行器一直是国际航天领域的制高点，美国X-37B试验飞行器实现了在轨7 8 0 天的验证，“追梦者”等多种空天飞行器开展了演示验证，我国也研制了新型空天飞行器并成功进行了演示验证。所有的可重复使用航天器均需要实现安全可靠的着陆。不同航天器采用的回收着陆技术途径有所不同，例如，弹道式或弹道升力式返回的卫星、飞船，一般采用“降落伞+缓冲气囊”的方式回收着陆；垂直上升垂直返回的运载火箭可采用“动力减速+软着陆支架”的方式实现回收；水平起降的空天飞行器则需采用“起落架+阻力伞”的方式实现安全着陆。一、可重复使用航天器回收着陆系统的主要技术途径对国内外各类可重复使用航天器的现状、系统方案及发展趋势进行分析可以发现，可采用的回收着陆系统方案主要有5 类，包括伞系减速+气囊缓冲、可控翼伞定点无损着陆、充气附着式减速着陆、动力减速+软着陆支架缓冲、起落架+阻力伞。此外，还有采用旋翼进行减速等其他方案，但研究及应用很少，本文不作叙述。（一）伞系减速+气囊缓冲伞系减速与气囊结合的回收着陆系统技术较为成熟，目前，国内外新一代载人飞船的回收着陆系统大多采用的是该方案。SpaceX公司研制的“龙”飞船只降落在海域，则采用降落伞系统进行减速并落海，不采用气囊缓冲的方式。利用降落伞系统对可重复使用卫星、飞船、运载器等航天器进行气动减速和姿态稳定时，气囊在航天器落地前充气展开，可减缓着陆冲击力并对落地/落水后的航天器进行防护，达到航天器无损回收着陆的效果。航天器的返回质量、总体构型等不同，回收着陆系统采用的降落伞、缓冲气囊方案也各异。例如，我国新一代载人运输飞船、美国“猎户座”多用途乘员飞行器（MPCV）、美国波音CST-100飞船的着陆质量达到7 8 t，均采用了群伞及排气式组合气囊的方案。某新型可重复使用返回式卫星的着陆质量在1.5 t左右，采用的是单伞及整体式吸气式气囊的方案。图1 所示为部分采用降落伞减速及气囊缓冲的航天器着陆过程。（二）可控翼伞定点无损着陆翼伞不仅能像普通降落伞一样折叠包装，而且具有良好的滑翔性能、操纵性能和稳定性能，在触地前能够实现“雀降”，使航天器接近零速着陆，其着陆示a）我国新一代载人运输飞船(b）美国波音CST-100飞船图1 采用伞系减速+气囊缓冲的典型航天器（c）我国新型返回式卫星AerospaceChina2023.8SPECIALSUBJECT专题报道返回与再入技术研究意图如图2 所示。目前，可控翼伞在无人机精确定点回收、军民用物资精确空投、人员装备空降等方面有较为广泛的应用，在航天器上的应用也已起步，目前我国已成功实现了基于翼伞回收的运载火箭助推器的落区控制，翼伞面积达到3 0 0 m。在大型翼伞回收系统基础上，研究人员进一步优化系统设计，提升翼伞的减速及抗风归航性能，实现无损“雀降”着陆，可以进一步达到航天器重复使用的目的。对于大型可控翼伞“雀降”控制难度大、代价大的情况，可以结合气囊、滑撬、软着陆支架等着陆缓冲手段，或者采用地面捕获网等方式进一步保证航天器的无损着陆。此外，基于翼伞系统在近地面稳降阶段具备稳定水平速度滑翔的特点，可以采取空中回收的方式，利用直升机跟飞并捕获翼伞系统，从而对航天器实现无损回收。图3 为美国“起源”返回舱采用空中回收方案的验证场景。（三）充气附着式减速着陆降落伞类拖电式减速装置难以适应高超声速条件下减速的需求，且某些航天器靠自身刚性外形难以减速到合适速度，此时可采用柔性充气附着式减速系统方案。充气附着式减速系统利用充气的方式使折叠包装的柔性结构展开，从而增大航天器的阻力面积，依靠柔性热防护及承力结构装置，实现航天器进入/再人过程的热防护、气动减速与着陆缓冲。充气附着式减速系统在轨时一般为折叠收拢状态，在再入进人大气层前进行一级充气展开；为了实现更慢的降落速度，系统进人大气层后在适当的高度可进行二级充气，增大阻力面积，如图4所示。对于可重复使用航天器，需要的落地速度相对较低，为了减小系统受损，可采用充气附着式减速系统与伞降减速系统组合的方式实现航天器的无损回收。充气式柔性防热罩在上行时处于折叠收拢状态，以减小发射占用的空间和体积，返回时用于防热和减速。在返回末段，图2 返回式航天器利用可控翼伞减速着陆示意图N352SC图3“起源”返回舱基于翼伞系统采取空中回收方案10中國航天2 0 2 3 年第8 期晨专题报道11（a）折叠收拢状态降落伞展开以进一步减速，实现航天器最终的低速着陆。除柔性防热结构外，系统的大部分部件可重复使用，如图5 所示。（四）动力减速+软着陆支架缓冲动力减速与软着陆支架缓冲组合的系统方案是指航天器利用发动机动力进行反推减速与受控下降，着陆时利用软着陆支架减小冲击，确保结构安全，实现可重复使用。对于航天器的无损着陆，动力减速+软着陆支架缓冲的方案以往一般用于深空探测领域，如“阿波罗”飞船登月舱、“嫦娥”系列探测器携带的着陆器等，很少用于地球返回领域。对于月球、火星等无大气或低密度大气地外天体的着陆，均需利用发动机动力实现探(b）一级充气展开图4充气式进入减速装置测器的减速下降。随着商业航天的发展，以SpaceX公司为代表，返回地面的“猎鹰”运载火箭一子级、“星舰”飞行器等均采用动力减速的方式实现安全降落。其中，“猎鹰”火箭一子级在最终着陆时利用软着陆支架实现无损缓冲，如图6 所示。“星舰”在不同场景下选择的最终着陆模式有所不同，降落在月面、火星表面仍采用软着陆支架实现缓冲，降落在地面则考虑直接返回发射塔架，利用发射架上的塔臂实现捕获式着陆，从而可能实现下一次发射任务的快速衔接，如图7 所示。（五）起落架+阻力伞对于空天飞行器，无论是航天飞机还是空天飞机，大多采用升力体构型，以水平着陆方式进行回收。与一般返回式卫星、载人运输飞船等航天器回收着陆系（c）二级充气展开图5 充气附着式减速系统与降落伞结合图6“猎鹰”运载火箭一子级着陆AerospaceChina2023.8SPECIALSUBJECT专题报道返返回与再入技术研究（a）软着陆支架模式统不同，空天飞行器的回收着陆系统一般采用起落架+阻力伞的方案，其中起落架有轮式、滑撬等不同方式，需根据飞行器的特点进行择优设计。图8 为部分典型空天飞行器的着陆系统。与一般航空器相比，空天飞行器对回收着陆系统的要求较为苛刻，主要包括：着陆速度快，一般达到360km/h以上；使用环境恶劣，需经历动力学、高低温、空间辐射、长期在轨等环境，对系统的环境适应性要求更高，需要注意热密封、真空润滑等特殊设计；对系统的轻量化指标要求高，空天飞行器回收着陆系统的质量指标一般要求不大于3.5%起飞质量，与航空器通常4%6%的起飞质量相比更为苟刻。空天飞行器由于需要适应从低速到高超声速的更宽流域范围，以（b）返回发射架模式图7“星舰”及其助推器采用2 种着陆模式及从低空到临近空间乃至入轨的大气条件，其气动设计要求高，导致空间布局难度非常大，回收着陆系统相应也需要实现极窄空间集成布局设计；可靠性要求高，需采用各种余设计技术以保证任务成功。如上所述，不同的可重复使用航天器需根据各自特点和需求择优选择回收着陆系统方案，表1 对上述5种回收着陆系统技术途径的特点及适用性进行了简要归纳。二、主要关键技术（一）大型群伞技术降落伞是最常用的气动减速装置，依靠其结构形（a）航天飞机轮式起落架+阻力伞着陆CuramChaser.（b）“追梦者”空天飞机前部为滑撬起落架图8 典型空天飞行器的着陆系统12中國航天2 0 2 3 年第8 期具专题报道13表1 不同回收着陆系统技术途径的特点及适用性技术途径伞系减速+气囊缓冲降落伞及气囊均可折包装性叠包装质量占比一般不大于1 0%自身可经过检修可部分重复重复性着陆精度冲击过载着陆场坪气象条件适应范围广泛，常用于可重复使用卫星、的可重复使用航天器、适用对象飞船；传统构型运载火箭也可采用；空天飞行器可作为应急回收系统可控翼伞定点无损着陆翼伞可折叠包装一般不大于1 2%经过检修可部分重复他可重复千米级百米级5g10g户外均可户外均可中雨以下中雨以下用于需要高精度着陆运载器分离体等，也可用于需水平降落的航天器充气附着式减速着陆动力减速+软着陆支架缓冲柔性结构可折叠包装软着陆支架可展收一般不大于1 0%一般不大于1 0%防热结构不重复，其完全可重复，需更换部分缓冲元件千米级十米级20g8g户外均可户外均可中雨以下全天候可回收质量有限，难以用于大载重航天器，可用于空间制品返回、取样返回、航天员应急返回及新型可重复使用卫星等起落架+阻力伞起落架可展收，阻力伞可折叠包装一般不大于6%完全可重复十米级3g机场跑道全天候一般用于航天飞一般用于垂直起飞、垂机、空天飞机、亚轨直降落的可重复使用运载道飞行器等需水平火箭或其他航天器降落的航天器状和性能特征来增大气动阻力。航天器质量的增加要求增加单伞面积，将会带来开伞过载大、充气时间长、高度损失大、加工复杂、总装困难等一系列问题，因此需要采用群伞减速技术。与单伞系统相比，群伞系统的优势表现在：单伞面积小，加工制造与维护难度小；采用热备份方式工作，在一顶伞失效的情况下，仍能保证安全回收，可靠性高；不需要单独设置备份伞系统，简化了系统控制程序；开伞损失高度较低，开伞过载小。不同数量的单具降落伞组成群伞系统后，由于各伞之间存在相互干扰，群伞系统的工作稳定性与单伞时不同，且降落伞的气动性能也会发生变化，因此需要对降落伞结构进行优化设计，以提升组成群伞系统的稳定性和减速效率。以环帆伞为例，通过在特定部位的开窗、开缝设计，可以增加结构透气量，在阻力性能影响很小的情况下可以显著提高群伞系统的稳定性。群伞充气同步性控制也是非常重要的环节，主要从提高单伞的充气一致性和提高伞间动作的同步性两方面采取措施，主要可采用伞顶控制带控制拉直充气和多级收口分段充气等方案，如图9 所示。（二）大载重缓冲气囊技术着陆缓冲气囊能够对在复杂地形表面着陆的航天器进行缓冲吸能，限定航天器的着陆过载，防止航天器翻滚，并可避免航天器的主要结构部位直接与地面接触，从而实现航天器的无损着陆，为其重复使用创造条件。航天器使用的着陆缓冲气囊主要包括排气式气囊、密闭式气囊及组合式气囊。对于新一代载人飞船等大载重航天器，一般需采用排气式气囊，且为了确保航天器可重复使用，并保证人员安全，对缓冲气囊的排气环节需要进行较为精确的控制，可基于缓冲过程中的气囊内侧压力或飞船加速度变化主动控制气囊的排气过程，且多组气囊可单独控制，以适应不同的水平着陆速度与着陆姿态要求。大载重着陆缓冲气囊的主要关键技术环节包括：可靠充气技术、高性能气囊材料及结构成型技术、基于缓冲特性仿真的优化设计技术、缓冲过程精确控制技术、大载重缓冲气囊试验验证技术等。（三）可控翼伞及归航技术可控翼伞具有优良的滑翔性能和飞行稳定性，可操纵，能够“雀降”，可实现航天器的定点无损着陆，从而实现重复使用。当前可控翼伞基本都采用冲压翼伞形式，冲压翼伞是根据飞机翼形产生升力的原理制作的一种降落伞，其伞衣由上翼面、下翼面和沿展向分布的多个成形肋片构成。伞衣前缘部分有开口，而后缘完全封闭。上下翼面和左右肋片构成一个个气室，各气室间的AerospaceChina2023.8SPECIALSUBJECT专题报道返回与再入技术研究牵顶伞技术伞顶控制技术伞顶控制带技术伞衣保护布技术单伞充气一致性控制群伞充气同步性技术伞间动作同步性控制图9 群伞充气同步性控制方法空气可沿展向流动，以平衡整个伞翼的张满压力，且便在高超声速条件下具备良好的阻力性能。除了具备在于充气。高超声速条件下气动特性的优势外，充气式进人减速在稳降过程中，冲压翼伞为低升阻比滑翔飞行，滑系统可以在进人大气前便充气展开，这样可显著降低翔比一般为3 左右。通过控制操纵绳对翼伞后缘进行航天器的弹道系数，并充分利用高空时稀薄大气的减下拉操作，操纵一侧的翼型增加了弯曲弧度，从而导速效果，从而改善航天器进入过程的载荷和热流环境，致升力系数、阻力系数都相应增大，气动力变化使得并为后续进一步采用降落伞减速、反推发动机减速创整个翼伞出现偏航和滚转，从而能够实现翼伞系统的造更为理想的初始条件。转弯。结合卫星导航数据，可实现系统的定点归航。充气式高超声速减速技术的主要关键环节包括充在落地之前的合适高度对冲压翼伞的双后缘进行快速气展开结构与航天器耦合的进人下降过程弹道及动力下拉操作，可迅速降低飞行速度，从而实现“雀降”，学分析、气动/热/柔性结构耦合仿真分析及外形优化以安全着陆。可控翼伞及归航技术的主要关键环节包设计技术、柔性充气展开结构及折叠和展开设计技术、括高性能大型翼伞设计与优化技术、大型翼伞收口控高性能柔性热防热材料技术等。制技术、自动归航精确控制技术、高性能伺服操纵技术等。（四）充气式高超声速减速技术充气式高超声速减速装置是利用充气展开实现航天器构型改变，依靠柔性热防护材料为主制成的结构装置，可实现航天器进入过程的热防护、气动减速、着陆缓冲，乃至水上漂浮。与降落伞工作时拖电在航天器后部一定距离不同，充气式减速装置一般附着并包裹在航天器周围，从而141中國航天2 0 2 3 年第8 期辅助充气技术包伞技术出伞技术收口控制技术群伞拉直控制技术（五）变推力动力减速着陆技术利用发动机的动力对可重复使用的运载火箭、飞船等进行下降减速，其关键的技术环节首先在于火箭发动机的深度推力调节技术，发动机大范围改变推力要通过调节多个元件来实现，调节控制规律复杂，同时喷注器、涡轮泵等关键组件也要具备相应条件下可靠工作的能力。动力下降减速的制导与控制也是具有很大挑战性的技术环节，需要准确选择再入点火时机，且再人轨迹需综合考虑推进剂余量、气动热、姿态、速度及伞衣折叠技术收边带技术伞绳捆扎技术伞衣捆扎技术封包技术集群伞包出伞独立出伞多级收口技术连续收口技术辅助减速伞技术良专题报道15各种环境因素等约束，需实现下降过程中对精确着陆段轨迹规划进行实时快速求解。此外，为了保证下降过程中航天器姿态稳定，并具有足够的控制力，往往还需配置栅格舵或姿控发动机，配合主发动机推力矢量控制实现减速下降；配置软着陆支架以确保无损着陆。（六）高速水平起降着陆技术空天飞行器指既能够在大气层中飞行又能够在宇宙空间中飞行的飞行器，它是航空技术与航天技术高度融合的产物，可重复使用，包括航天飞机、空间轨道器、空天飞机、高超声速飞行器、亚轨道再人飞行器、升力式火箭等。起降着陆系统是空天飞行器的基本功能系统之一。典型的空天飞行器起降着陆系统包括着陆缓冲、减速与制动、展收锁定与解锁、高动态伺服操纵、状态监测与控制、能源驱动等几大功能，集起落架、着陆动态控制、电驱动与伺服操纵、阻力伞减速于一体。工作过程包括地面操作和起飞阶段（滑跑、收起），飞行阶段（状态监测、故障隔离），着陆减速阶段（展开、缓冲、弹伞减速、刹车、转弯伺服等）。高速水平起降着陆技术的主要关键环节包括系统集成与总体布局设计、高效轻量化缓冲技术、智能着陆控制技术、耐空间环境高可靠展收与锁定机构技术、高动态电动伺服操纵与制动技术等。需要说明的是，与一般飞机起落架收放作动和伺服操纵采用集中式液压源相比，空天飞行器主要采用火箭动力或组合动力，集中式液压能源体制并不适合，可用的能源主要为电能。当前全电式收放装置设计依然有很多困难，常规电动作动筒作动力小，安全裕度相对液压作动筒偏小。水平起降着陆系统的“多电”伺服作动是重要的发展方向，包括直接驱动式作动器、集成电液作动器、机电作动器等多种技术形式。三、结束语随着可重复使用航天器的发展，其呈现出各自不同的特点，所需要的回收着陆技术也是多样化的。本文结合国内外各类可重复使用航天器回收着陆系统的方案特点，归纳了5 类技术途径，包括伞系减速+气囊缓冲、可控翼伞定点无损着陆、充气附着式减速着陆、动力减速+软着陆支架缓冲、起落架+阻力伞。其中，伞系减速+气囊缓冲方案的可靠性、安全性高，适用于多种地形，常用于可重复使用卫星、飞船，但其最终着陆段不具备定点着陆的能力；可控翼伞方案可实现各类气动外形航天器的定点着陆，但其系统相对复杂，技术难度大；充气附着式减速着陆方案可用于高超声速条件下的气动减速，并具备热防护功能，但其适用的回收质量有限，需考虑结合伞降等方式实现更低速度的着陆；动力减速+软着陆支架缓冲方案一般用于垂直起飞、垂直降落的可重复使用运载火箭或其他航天器，落点精度高，但对发动机及返回控制的要求非常高；起落架+阻力伞方案适用于水平起降的航天器，完全可重复使用，着陆过载小，但对着陆跑道有特定的需求。对于不同的可重复使用航天器回收着陆技术途径，除了各自关键技术外，其也存在共性的发展需求。保证航天器可重复使用的基本前提之一是无损着陆，这对回收着陆系统的智能化水平提出了更高的要求。无论采用何种回收着陆技术途径，均需提升整个回收着陆过程的精确化控制水平，包括多参数多状态的精确感知、复杂环境下的自适应控制、减速与缓冲的高精度执行等方面，因此智能化是可重复使用航天器回收着陆技术的重要发展趋势。此外，重复使用航天器发展的根本目的之一是降低成本，因此在技术要求更高的前提下，如何降低回收着陆系统的研制成本也是必然的发展需求，深入开展基础研究，提升回收着陆系统数值仿真和多学科优化设计能力，提升试验效能，更全面地测量、验证回收着陆系统的性能参数是需要重点关注的方面。总之，可重复使用航天器是人类航天事业发展的主要方向之一，可重复使用航天器回收着陆技术的发展势在必行，将为我国航天强国建设构建重要的基石。（责任编辑李臻）中國航天AerospaceChina2023.8