一次发射多次返回的充气式再入飞行器技术

贺卫亮 才晶晶 汪龙芳 张碧辉 康 甜

（北京航空航天大学宇航学院）

1 引言

天地往返运输系统是实现天地之间人员和货物运输的途径。从目前天地往返的能力而言，发射的能力远远大于返回的能力，航天器的再入与返回过程一直是空间往返运输系统的技术瓶颈，无论是从运输的重量和成本，还是从运输的周期等方面，都制约着天地往返运输的能力。

传统的天地往返运输系统的运行方式包括发射、在轨运行、返回等三个阶段。其中，发射阶段与返回阶段是一一对应的关系，也就是说，如果需要进行一次从空间的返回过程，那么就必然对应一次从地面到空间的发射过程。这样，天地往返的经济成本和机会成本就会因发射成本的高昂和发射机会的有限而急剧增大，而且，由于发射过程受到准备时间、发射窗口等限制，天地往返的实时性无法保证。

一次发射多次返回的天地往返系统就是要突破目前空间往返过程中发射与返回一一对应的关系，利用一次发射携带多个充气式再入飞行器，实现从轨道上多次返回，满足航天活动过程中快速返回、应急返回和机动返回的需求。

充气式再入飞行器技术是实现一次发射多次返回的核心技术，充气式再入飞行器可以在发射时呈折叠包装状态，具有体积小、重量轻的特点，能够实现在一次发射过程中，一个航天器内能够安装多个这种再入飞行器。航天器当进入空间后，无论是在轨飞行，还是空间交会，都可以根据需要，从中分离出多个充气式再入飞行器，实现多次返回。

2 国外研究概况与发展趋势

在人类开创航天事业的初期，航天器的再入与返回问题就得到了很大的重视。针对航天员的应急救生与应急返回需求，六十年代初期，美国和苏联都进行了大量的研究，提出了各种创新的概念和方案，然而，由于当时航天技术的发展水平和航天项目的单一性特点，这些方案中的大多数均没有被实际应用验证，但是，它们的设计思想和设计理念却对现代航天系统的设计具有非凡的影响力。

一次发射多次返回的实用典型是前苏联/俄罗斯遥感卫星的多体回收。多体回收是在遥感卫星上携带几个小型再入返回舱，根据任务安排从卫星中分离出来，携带照相胶片返回地面，提高了胶片返回的实时性。这项技术是苏联的专利技术，没有对外公开。目前，随着充气式柔性展开技术的发展与成熟，有可能突破小质量多体回收的再入与降落技术，实现真正意义上的多次返回[2，3]。

2.1 早期充气式再入飞行器

上世纪六十年代中期，美国麦道公司就提出充气式伞锥型（PAPACONE）轨道救生再入装置的概念，如图1a所示，可以满足一名身着航天服的航天员应急返回。同期，美国通用电气公司提出MOOSE（Manned Orbital Operations Safety Equipment）轨道救生再入装置，如图1b所示，整个结构可以折叠，使用时通过发泡产生泡沫并填充成型，可以满足一名航天员应急返回。

图1 早期的充气式再入装置

2.2 俄罗斯和欧空局的IRDT

俄罗斯提出的新型充气式再入飞行器（IRDT）技术是一种新型轻质量的返回技术，如图2所示，这种柔性充气式再入飞行器是由隶属俄罗斯拉瓦斯金联合体的巴巴金空间中心联合欧空局，针对“火星-96”项目研发的火星着陆系统。由于俄罗斯的“火星-96”计划在发射时失败，使得这项技术至今未能得到实际应用的验证[1]。

图2 IRDT再入与降落示意图

与常规的由防热罩和降落伞组成的返回着陆系统相比，IRDT可以使返回的质量和费用大幅度降低，从而应用于空间站物资的返回、运载火箭的回收、星际飞行器的着陆以及部分区域的救生等等。IRDT既可以应用于现有航天器，也可以应用于未来新型航天器的研制。2000年-2005年期间，俄罗斯利用弹道导弹进行了三次亚轨道飞行试验，均未取得完全成功[1]，究其原因主要是因为再入过程中柔性织物材料的在气动热作用下的防热问题。充气式再入飞行器需要采用多层复合的柔性材料来解决气密性、结构强度、气动热载荷、充气展开、工艺粘接等问题，这些技术均是制约充气式再入飞行器成功实现应用的主要关键技术。

2.3 美国的IRV

八十年代后期，美国ARS公司研制了一种称为IRV（Inflatable Reentry Vehicle）的充气式再入飞行器，并于2009年8月17日利用探空火箭进行了试验。如图3所示，到达211km高度后，IRV在短时间内充气成型。充气式再入飞行器在包装状态半径为0.4m，展开后的直径为3m。该试验成功地达到了预期效果，验证了充气式再入飞行器的展开和再入特性。

图3 IRV的飞行试验

3 应用前景分析

充气式再入飞行器由于其包装体积小、重量轻，所以，一经问世，立即受到世界各航天大国的关注和重视。其应用设想从航天器返回到星际着陆，并逐渐向空间站方面的应用推广。

空间站是人类能够在太空进行试验的大型空间基础设施，利用空间站的太空环境和轨道资源，可以进行各种地球上无法进行试验，例如，空间生物实验、微重力试验、空间环境观测等等。在空间站上的一些试验结果具有较高的时效性，需要及时地返回。按照目前世界各国航天发展的水平和能力，还无法满足这样的需求，而充气式再入飞行器技术首先可以针对这样的需求进行开发和应用。

3.1 空间实验结果的实时返回

空间实验室和空间站能为开展空间生命科学研究提供宝贵资源。国外已利用空间站开展了大量的生物和医学实验，为下一步的深空探索积累了丰富资料。由于生物学实验样本有其特殊的时效性要求，即实验结束后，要求样本尽快处理分析，以确保数据准确，具有科学意义。比如，空间细胞生物学实验，持续天数一般在2d～7d左右，固定或裂解的样本如不能即刻分析，则需要低温（-20℃～-4℃）保存。目前，在轨分析的设备难以完成，冷藏资源（体积）也十分有限，严重制约了空间生命科学研究的开展。解决此问题的最佳途径，就是生物样本能及时、分批返回。

如果能够利用充气式再入飞行器实现多次返回技术，就可以实现和满足在轨生物样本的及时、分批返回，将有力地促进我国空间生命科学研究的发展。

3.2 空间站人员的应急返回

随着空间大型基础设施不断完善，人类进入太空的机会和进入太空的人员数量也会越来越多，包括一些非职业的航天员和太空旅行者，在空间站逗留的时间也会越来越长。在这样的情况下，一旦出现人员生病等意外情况，需要紧急救援和应急返回。目前，国际空间站上长期对接一艘联盟号飞船，作为应急返回运载工具，但是，这仅仅只能满足一次应急的需求，如果出现多次情况，按照现有的能力将束手无策。充气式再入飞行器能够解决这个问题，可以将多个飞行器安装在空间站上，需要时分离出去，进行再入和返回。由于充气式再入飞行器在使用前可以折叠，大大节约了空间，从而也节省了运输费用。

3.3 空间站其他货物的返回

目前，以欧洲为例，因为没有能力回收空间站上的货物，在使用航天飞机时每千克需要支付2.5万美元，而其每年大概需要运输500kg～800kg的货物。欧空局认为，使用IRDT可以节约大量的运输经费[1]。另一方面，空间站货物的运输，特别是一些试验结果的快速返回，其整个过程要求具备一定的实时性，而回收的质量可能很小，这种情况下，如果继续采用飞船或航天飞机进行返回，其成本太高，利用率太低。这时，小型充气式返回与降落技术显示出巨大的优越性，如图4所示。

此外，充气式再入飞行器可以携带太空武器再入大气层，对地面实施攻击，也可以作为弹道导弹再入时安装在尾部的机动减速装置，具有巨大的潜在军事应用价值。

图4 IRDT技术应用于空间站

4 充气式再入飞行器组成

一次发射多次返回的核心技术是充气式再入飞行器技术，因此，对于典型充气式再入飞行器而言，其系统功能和组成如下：

4.1 系统的功能

与传统的再入与返回方式相比，充气式再入飞行器具有三合一的功能，即同时具备：

（1）再入防热罩的功能

在进入大气层时承受高超声速气流的气动热载荷。

（2）降落伞减速的功能

在超声速和亚声速状态时，通过气动力减速，达到着陆速度要求。

（3）缓冲气囊的功能

在着陆的瞬间，可以起到着陆缓冲的效果。

除了具备传统再入与返回系统的组合功能之外，与传统系统相比，充气式再入飞行器还具有质量轻、包装体积小、系统复杂性低等特点，显示出广阔的应用前景和开发潜力。

4.2 系统的组成

充气式再入飞行器从包装折叠状态到完全展开加速状态，经历了自由流、过度流和连续流等几个阶段，相应的飞行速度也是由超高声速逐渐降低到亚声速，直至满足着陆的要求，它主要包括：

（1）充气式结构

充气式结构由多层复合的织物材料，包括密封层、防热层、强度层、绝热层、散热层等组成。其功能是形成充气展开结构，保持一定的结构形式和气动外形，并在超声速条件下能够承受气动力载荷和气动热载荷。充气式结构的材料问题是制约其发展的最主要的因素。

（2）气体发生装置

充气结构内部一般充满氮气，气体的来源可以有两种，一种是携带高压气瓶，另一种是通过化学反应产生气体，并通过若干个压力调节阀门，自动地调节充气结构内的气体压力。

（3）刚性头锥

由于充气式再入飞行器展开结构呈倒球锥型，在再入过程中，其头部是驻点压力和驻点温度集中的地方，需要在高压和高温条件下不但不能损坏，而且，还必须保持一定的气动外形和结构强度。据俄罗斯几次飞行试验的结果表明，头锥区域在再入时的气动热可以达到3000℃以上。目前的织物材料无法承受这样的温度，另一方面，局部的刚性头锥区域对包装容积应没有影响。

（4）有效载荷舱

有效载荷舱用于安放各种需要从太空返回地面的有效载荷，有效载荷舱安装在充气式再入飞行器头锥部分的内侧，一方面保护其免受气动加热，同时，也使得整个飞行器的重心位置靠近头锥，保持系统的稳定。

（5）着陆搜救信标机

由于这种再入飞行器仍然是被动式再入与返回方式，弹道误差很大，一般在几十公里的量级，因此，需要在系统上安装信标机，从进入亚声速状态开始就发射信号，使地面搜救人员能及时发现落点位置[5]。

5 主要关键技术研究状况

图5所示为美国、俄罗斯和中国正在研发阶段的充气式再入飞行器原理样机。针对我国未来的空间实验室或更大的天基设施，研究经济廉价和机动灵活的再入飞行器，满足一次发射多次返回的天地往返运输的需求。目前阶段，设计了底部直径3m，头锥角90°的充气式再入飞行器，进行相关关键技术研究与验证。

主要关键技术研究状况如下：

（1）一次发射多次返回的天地往返系统的总体任务分析

图5 三个国家充气式再入飞行器示意图

总体任务分析包括任务对象、任务需求、发射形式、轨道设计、返回形式、着陆要求等等，针对充气式再入飞行器的再入运动模型，与返回式卫星有许多相似之处，在初步研究阶段，再入运动可以简化为弹道式的再入运动。通过建立轨道动力学方程，利用修正牛顿理论计算不同马赫数下的阻力系数，分析不同再入角对充气式再入飞行器再入过程的影响，如图6所示。

（2）柔性充气展开结构的气动外形设计

图6 过载随高度的变化

充气式再入飞行器的柔性充气结构在成形方面将直接影响气动力系数，同时也会影响再入过程中的气动加热。因此，进行气动外形设计时不但需要考虑最大过载、再入时间，还需要考虑对气动力和气动加热的影响。

（3）柔性充气展开结构的结构分析

充气式再入飞行器的结构强度分析采用解析公式求解和有限元建模仿真两种途径。

对于解析途径，应用膜结构经典应力公式，结合充气式再入飞行器构型，计算在一定的内外压差下的应力，结构应力的分布规律，如图7所示，确定最大应力点位置。

图7 应用解析公式的应力分析

对于数值仿真途径，可以采用ANSYS软件进行建模分析，得到的充气式再入飞行器应力云图如图8所示。

图8 运用ANSYS进行充气式再入系统的结构分析

（4）再入过程气动特性模拟

为了得到充气式再入飞行器返回过程中在自由分子流和过渡区域内的气动力和气动热数据，采用直接模拟蒙特卡罗方法（Direct Simulation Monte Carlo）模拟其气动特性[4]，针对飞行器外形，可以计算不同高度内的流场分布、表面的压力系数和热流密度分布及阻力系数，如图9、图10所示。

图9 流场温度云图

图10 各高度的阻力系数和驻点热流密度

6 结论和建议

充气式再入飞行器技术是实现一次发射多次返回的核心技术，其主要创新点包括：

（1）打破传统空间往返运输过程中发射与返回一一对应的模式；

（2）可以为未来空间实验室内航天员提供应急返回救生的服务；

（3）可以实现多次机动灵活的返回方式；

（4）能够大幅度降低空间返回的成本。

因此，建议针对我国未来空间站发展和货运飞船的发展规划和需求背景，开展研究工作，从小型充气式再入飞行器回收航天生命科学实验结果等小载荷应用入手，逐步实现航天员应急救生的再入与返回，争取早日实现一次发射多次返回的天地往返运输目的。 ◇

［1］ Marraffa L,Kassing D,Baglioni P,et al.Inflatable reentry technologies:flightdemonstration and future prospects.ESA Bulletin,2000,103:78～85

［2］林华宝，马宏林.载人航天的救生问题.空间站系列文集之四，航天五院，1987

［3］李惠康.轨道救生艇概念研究综合报告.863航天高技术专题论证报告，1989

［4］James N.Moss,Christopher E.Glass Low-Density Aerodynamics for the Inflatable Reentry Vehicle Experiment.JOURNAL of Spacecraft and Rockets Vol.43,No.6 November-December 2006

［5］贺卫亮，韩潮.基于充气展开技术一次发射多次返回的空间往返系统概念研究.中国宇航学会飞行器总体专业委员会第十届学术研讨会论文集，2008