基于金星探测机械展开式进入飞行器技术述评

李旭东张鹏尚明友张红英童明波

（1南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京 210016）

（2中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

随着航天事业的发展，金星探测将是今后的研究重点之一。传统的金星进入飞行器具有很大的局限性，不能满足金星探测的发展要求。例如热防护方面，传统的热防护方式一般是采用硬质材料，如“先锋号”金星探测器防热罩[1]，其最大缺点是自身质量过高，尺寸会随着航天器质量及体积的增大而增大，加之受运载火箭运载能力的约束，这样就极大地限制了航天器的有效载荷运输能力；在减速缓冲方面，传统的方式是采用降落伞的方式，如美国的“金星无畏号”镶嵌地貌着陆器，是采用降落伞实现减速着陆[2]，这种方式面临降落伞气动加热严重、着陆精度控制难、载荷较小等问题。因此，针对未来大载荷着陆的金星探测需求，需要一种新型的进入系统[3]。

现阶段对进入系统的研究集中在充气展开式和机械展开式，本文将重点研究机械展开式进入飞行器。美国于2010年提出了自适应性可展开进入和定位技术（adaptive deployable entry and placementtechnology，ADEPT），这是一种适用于金星探测、火星探测等深空探测的机械展开式进入飞行器[4]，它依靠机械结构展开，可以起到热防护和减速的作用，是一种创新性的技术[5]。

国内对于机械展开式进入飞行器（mechanically-deployed entry decelerator，MDED）还没有相关的研究，本文针对基于ADEPT技术的金星探测机械展开式进入飞行器进行介绍和研究，结果表明这种技术具有很好的适应性，可为将来深空探测提供一种新的技术途径。

1 机械展开式进入飞行器简介

机械展开式进入飞行器是一种半刚性、机械式的减速器，发射时处于收拢状态，可以节省火箭的空间，进入时依靠机械结构将柔性热防护层展开，形成较大的气动面进行热防护和减速。

1.1 结构组成

机械展开式进入飞行器整体结构类似于一个雨伞，其工作状态主要有两种，发射及在轨时处于收拢状态，进入时处于展开状态，如图1所示[6]。

图1 机械展开式进入飞行器两种状态Fig.1 Two works tate of MDED

展开结构主要由辐条、连接杆、防热头锥、主体及三维编织碳纤维层组成，如图2所示[7]。

防热头锥是由传统的刚性防热材料构成，主要起热防护的作用；三维编织碳纤维层是一种新型柔性防热材料，展开后形成气动面起到热防护和减速的作用[8]；辐条由金属材料或者复合材料制成，其一端与防热头锥相连，同时通过连接杆与主体相连，三维编织碳纤维层也连接在辐条上；连接杆的主要作用是连接辐条和主体结构；主体主要用来连接载荷及展开结构，飞行器受到的气动力通过辐条和连接杆传递到主体结构上。

图2 机械展开式进入飞行器基本组成Fig.2 MDED structure configurations

1.2 展开过程

防热头锥与主体之间通过铰链相连，铰链将防热头锥下拉，收纳约束释放，连接杆绕轴向外旋转，引起辐条上部绕转轴转动，辐条往外延伸，带动三维编织碳纤维层展开，当主体部分与防热头锥贴合时，展开过程完成，如图3所示。

图3 机械展开式进入飞行器展开过程Fig.3 Fig. 3 Deployment process of MDED

2 研究现状

机械展开式进入飞行器还处于概念设计阶段，现阶段主要进行了相关的试验和仿真，主要集中在柔性热防护材料，气动热及运动学仿真几个方面[8-11]。

2.1 柔性热防护材料研究

机械展开式进入飞行器的柔性热防护材料是由三维编织碳纤维构成，具有折叠性好、透气性低、耐高温性能好等优势，其结构形式如图4所示。

图4 三维编织碳纤维结构Fig.4 Structure of 3D woven carbon cloth

三维编织碳纤维不同于传统的刚性烧蚀材料，其质量更轻，由于展开之后气动面更大，因此其弹道系数更小，热流密度也更小，因此工作时间更长。美国针对4mm厚度的三维编织碳纤维层进行了烧蚀试验和气动剪切试验，验证了材料的可靠性，其所能承受的热载荷可以达到15.7kJ/cm2[12]。

2.2 气动分析

深空探测飞行器在高超声速进入过程中会经历非常严重的气动加热，因此需要对气动加热进行详细的研究。

传统的刚性防热罩是光滑的，不存在大变形，因此其热流密度分布比较均匀。机械展开式进入飞行器是一个半刚性的结构，柔性织物在展开时与辐条的连接处会存在一定的凸起，因此机械展开式进入飞行器可以看成是一个有棱角的钝头体，如图5所示。同时柔性织物受气动力的作用会有一定程度的凹陷，如图6所示，织物张力不同会造成凹陷程度不同。凹陷会引起局部的气动加热上升，为了防止局部的气动加热引起整体结构的破坏，因此需要对变形后的结构详细的研究。由于机械展开式进入飞行器还没有进行飞行试验，因此现阶段主要依靠数值仿真进行预测。

图5 MDED棱角钝头体外形Fig.5 MDED configurations idealized a ribbed blunted pyramid

图6 MDED带凹陷的棱角钝头体外形Fig.6 MDED configurations idealized a blunted pyramid with deflected facets

由于“先锋号”金星探测器的进入速度达到11.5km/s，因此NASA在计算时选取了11.5km/s的速度对MDED进行了气动热分析，分析了织物没有凹陷、5cm凹陷、10cm凹陷情况下的热流密度，如图7所示。

图7 热流密度Fig.7 Heatflux

通过仿真可以看出，存在凹陷的区域热流密度会降低，凹陷区域两侧的辐条热流密度会上升。这是由于高超声速飞行器驻点处的对流传热与曲率半径的平方根成反比，凹陷导致辐条处的曲率半径减小，引起热流密度升高[13]。

2.3 运动学分析

机械展开式进入飞行器的关键部分是其机械结构的设计，通过软件CATIA对机械展开式进入飞行器进行了建模和运动学仿真，并确定了其几何尺寸和运动副[14]。

机械展开式进入飞行器展开结构是由12根辐条构成，每根辐条由两根连接杆与主体相连，由于没有考虑结构优化，因此结构是等截面的。辐条长度为1800mm，连接杆长度为1200mm，两者的连接点位于辐条1/3处，两根连接杆的夹角是15°。飞行器收拢时其整体结构尺寸为高度2650mm，直径3m，展开时高度1530mm，直径6m。

运动学仿真时首先约束主体部分固定，定义头锥与主体之间为圆柱约束，定义辐条与头锥之间的连接为旋转副，辐条与主体之间的连接为球绞，连接杆与辐条之间为万向节，给头锥一个直线驱动，驱动的距离为1200mm，通过仿真得到正确的收拢、展开过程。与普通的四连杆机构不同，MDED一根辐条上采用了两根连接杆，这可以提高飞行器在进入过程的稳定性，防止在气动力作用下旋转。

3 与传统飞行器对比

机械展开式进入飞行器与传统飞行器相比在着陆载荷尺寸一致的情况下，其结构构型、工作流程、减速和热防护效果等存在很大的不同。

3.1 构型对比

为了降低研制的风险，用于金星探测的机械展开式进入飞行器是以传统的“金星无畏号”镶嵌地貌着陆器（venus intrepid tessera lander，VITaL）为基础改进的，两者的着陆载荷在尺寸上完全一致，图8为传统的VITaL构型图[15]。

图8 传统VITaL构型Fig.8 TraditionalVITaL

传统VITaL的防热罩是由碳酚醛材料制成，锥角为45°，最大直径为3.5m。机械展开式进入飞行器相比于传统的结构来说，着陆器的构型没有任何改变，只是将传统的防热罩替换成机械展开式飞行器，如图9所示。发射时机械展开式飞行器处于收纳状态，直径为3m，展开之后直径达到6m，锥角为70°。相同载荷条件下，机械展开式进入飞行器发射时可以节省火箭的空间，展开之后直径更大，可以显著地降低弹道系数。

图9 传统结构与机械展开式飞行器对比Fig.9 Difference between traditional VITaL and MDED-VITaL

3.2 工作流程对比

传统的VITaL进入过程中依靠碳酚醛防热罩进行热防护，在完成热防护之后，在60km高空主降落伞开伞，防热罩脱离，然后通过主降落伞继续减速，减速到50km高度时后盖与着陆器分离，降落到15km高时下降摄像机开始工作，最后通过反推发动机和减震器实现着陆，如图10所示[16]。

图10 传统VITaL工作流程Fig.10 Work flow of traditional VI TaL

机械展开式飞行器的工作流程如图11所示。在发射之后，探测器需要经历16个月的巡航到达金星，在巡航过程中飞行器处于折叠收纳状态，通过轨道舱进行支持。进入之前，机械结构依靠轨道舱的动力展开，同时轨道舱的发动机点火进行5r/min的自旋运动，保证机械展开式飞行器与轨道舱分离之后的稳定性。与轨道舱分离之后机械展开式飞行器进入金星大气层，进行减速和热防护，在速度降到Ma=0.8时，着陆器与飞行器通过降落伞分离，最终着陆器通过降落伞缓冲着陆[17]。

3.3 效果对比

传统的VITaL碳酚醛防热罩工作时间较短，弹道系数达到200～250kg/m2，进入过程中的热流密度达到4500W/cm2，过载的峰值达到3000m/s2左右，这对设备提出了很高的要求。

图11 机械展开金星探测器工作流程Fig.11 Work flow of MDED-VITaL

机械展开飞行器展开之后气动面更大，传统刚性防热罩的直径3.5m，其展开之后直径可以达到6m甚至更大，锥角为70°（传统的防热罩为45°），三维编织碳纤维的工作时间也更长。因此，机械展开式进入飞行器可以显著地降低热流密度和过载，热流密度减小一个数量级，在300W/cm2左右，过载峰值在 300m/s2左右[18]。

随着过载和热流密度的降低，对着陆器设备可靠性的要求也相应的降低，因此在同样的任务需求和载荷尺寸下，可以使用可靠性较低的着陆设备，从而减少着陆设备的质量。

4 结束语

本文主要介绍了机械展开式进入飞行器的原理和研究现状。相比于传统的进入飞行器可以发现机械展开式进入飞行器是一项很有前景的技术[19]，其优势包括:

1）具有热防护、减速等作用，是一种多用途的载具，可以减少系统设计的复杂性；

2）热流密度低、过载小，因此可以降低对设备的要求，可以减轻整体的质量；

3）热防护材料质量轻、可折叠、耐高温，可以取代传统的刚性防热罩；

4）收纳后对火箭整流罩适应性好，传统刚性防热罩径向尺寸较大，受到整流罩尺寸的限制，机械展开式进入飞行器收纳之后主要处于火箭的轴向，对整流罩要求降低。

机械展开式进入飞行器为深空探测提供了一种新的途径，未来的研究重点集中在结构优化设计、姿态控制、流固耦合分析、大尺寸结构研究等方面[20]。我国在这一方面还未起步，针对于深空探测的任务需求需要对机械展开式进入飞行器进行相关的研究。

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