柔性可展开气动减速技术研究

王立武 王奇 雷江利 王永滨 李健 王文强

柔性可展开气动减速技术研究

王立武1,2王奇1,2雷江利1,2王永滨1,2李健1,2王文强1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （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，北京 100094）

柔性可展开气动减速技术是航天器进入大气环境后进行进一步减速的、最终实现无损着陆的关键技术，是载人航天、登月返回和火星探测等重大航天任务的支撑技术之一，其研究具有重要的理论价值与工程意义。文章首先基于地球大气不同高度的应用场景，对柔性可展开气动减速在地球及地外空间的拓展应用进行了阐述，进而对柔性可展开气动减速器进行了分类介绍，总结了柔性可展开气动减速技术的发展现状。最后在理论层面分析总结了柔性可展开气动减速技术的内涵，以及涉及的空气动力学、柔性结构动力学以及流固耦合等关键的力学分析技术，并根据研究现状和关键技术，对柔性可展开气动减速装置在未来的应用和技术发展进行了展望。

充气式柔性可展开技术 气动减速 进入、减速及着陆

0 引言

进入、减速、着陆与上升（EDLA）技术是航天器返回的关键技术，如何使航天器在大气层飞行阶段快速有效减速并以较低垂直速度着陆是EDLA技术要解决的核心问题。当前世界上应用于航天器再入减速的技术主要有矢量发动机反推技术、升力体式水平着陆技术和气动减速技术三大类。发动机反推减速和升力式水平着陆则主要应用在火箭助推器和航天飞机的减速着陆，二者都需要具备复杂的推进和控制系统。相对而言，气动减速技术有着成本低、稳定性和可靠性高的优点；且在任何有大气层的星体表面，不论大气是连续流还是粒子状态，均能通过气动力实现减速着陆的目的。因此，利用气动阻力进行减速是一种非常有效且可靠的手段，在各类航天器减速着陆任务中得到了广泛应用。

20世纪，欧美和前苏联开始在载人飞船、月球和火星登陆探测技术方面进行研究，直至2005年，NASA基于当时的技术储备规划了空间科学技术路线图，将进入返回技术作为最重要的14个领域分支之一[1]。对于降落伞及群伞系统，NASA为“重返月球计划”研制的“猎户座”新型载人飞船降落伞系统，能够使质量为6.5t的飞船返回舱以不大于7.9m/s的速度着陆[2]。大型翼伞精确回收技术研究方面，SpaceX公司在2018年利用可控翼伞系统使“猎鹰-9号”火箭整流罩成功降落在大西洋上的回收平台[3]。在充气式超声速再入减速器领域，兰利研究中心计划将超声速充气式气动减速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator，SIAD）进行改进研究以用于未来的大型载人深空探测再入返回任务，使其拥有15~20m的阻力面直径，可在0.6~6.5km/s的飞行速度范围内具有0.2~0.5的可变升阻比；并计划研制直径为6m的SIAD应用于地球低轨（Low Earth Orbit，LEO）轨道航天器的高速再入[4]。另外，从2000年至今，NASA一共进行了3次充气式再入减速技术（Inflatable Reentry and Descent Technology，IRDT）试验样机的飞行试验，成功验证了充气展开及热防护关键技术[5]。

我国航天器回收着陆专业在六十多年的载人航天、卫星返回、探月工程和深空探测的型号研制历程中，一直致力于大气环境下航天器气动减速和着陆技术研究，在柔性可展开气动减速器领域处于先进水平。北京空间机电研究所是国内唯一从事航天器回收着陆技术研究的单位，一直聚焦于基于大气环境的航天器减速技术研究，以及由此衍生的空间柔性结构展开技术。研究所以气动减速技术研究为基础，不仅在飞船回收着陆降落伞系统的研制中取得了一系列成就，同时不断寻求技术创新，在大载质量群伞、精确回收可控翼伞、充气式高速再入减速、LEO增阻离轨等多个新兴柔性展开减速技术领域实现领先。

随着航天活动范围的不断拓展，以及载人航天、探月工程等重大任务对航天器气动减速器性能提出的更高要求，针对柔性可展开气动减速器开展基础理论和关键技术研究具有强烈的必要性和现实意义。因此，本文首先基于应用和技术内涵对柔性可展开气动减速器进行介绍；同时分析梳理了柔性可展开气动减速技术的内涵，引出了理论关键技术；最后，从我国航天科技发展的实际需求出发，对柔性可展开气动减速器的技术衍生和后续发展进行分析。

1 柔性可展开气动减速器简介

1.1 柔性可展开气动减速器构型和分类

可高密度折叠包装于不同形状的空间内是柔性可展开气动减速器的优点，根据其充气展开后与被减速目标的相对位置可分为拖曳式和附体式两大类构型。图1所示的降落伞、翼伞以及地球低轨增阻离轨装置均属于拖曳式气动减速；图2所示的IRDT、充气式再入运载试验飞行器[6]（Inflatable Reentry Vehicle Experiment，IRVE）以及SIAD均为附体式构型。相较于附体式气动减速器，拖曳式构型系统质心更靠近载荷体，气动中心更靠近减速器，因此具有更高的系统稳定性。附体式构型则在相同迎风面积下拥有更为优异的阻力性能。

图1 拖曳式柔性可展开气动减速器

从充气展开方式的角度可将柔性可展开气动减速器分为被动式和主动式两大类，依靠空气来流进行充气展开的气动减速器均可归为被动式，自身携带高压气源或气体发生器的可归为主动式。被动式气动减速器的特点是结构简单可靠，但飞行环境对充气过程影响较大，且气动外形保持性能不佳。比如降落伞在大气层外根本无法工作，且随着大气密度减小阻力性能下降明显，同时高马赫数下喘振现象会显著造成气动阻力的不稳定。主动充气式气动减速器能够快速建立稳定的气动外形，尤其适用于低密度和低轨稀薄大气的航天器高速进入减速，但系统更加复杂，同时对充气阻力面材料的力学和热防护性能要求更高。

1.2 柔性可展开气动减速器的应用

以地球环境为例，从地表一直到海拔1 000km的地球低轨（LEO），均有柔性可展开气动减速器的身影。柔性结构的降落伞相较于刚性结构，存在着设计难度大、受力状态复杂的问题，但柔性结构本身结构简单可靠、展收比（即展开面积与折叠包装后特征尺寸的比值）大、抗冲击性强的优异特性是作为航天器减速装置的理想之选。而各类柔性特种纺织材料和复合材料质量轻、抗拉强度大、可折叠包装，也是用来制造航天器气动减速器的最适宜材料。因此，目前世界上航天器再入地球大气绝大多数采用了基于柔性可展开气动减速器的返回系统。

在近地稠密大气环境，空气呈连续流状态，被动充气式气动减速装置是最重要的气动减速器。目前降落伞仍是应用最为广泛的航天器气动减速装置，其回收载荷质量从数吨级的载人航天器、返回式卫星，直至60t级的航天飞机助推器。降落伞应用限制条件一般情况下被动充气式的降落伞主要应用在离地60km以下的稠密大气环境，比如我国“神舟号”飞船降落伞以及美国波音公司的CST-100降落伞“阿波罗”伞系统[7]。并且，由2~6具大型伞组成的群伞系统使可回收载荷质量获得数倍提升，从而满足超大型航天器的减速着陆需求。如NASA的“猎户座”飞船[8]、SpaceX公司的“龙”飞船等均使用了群伞系统。

在60~120km的过渡空间内，大气密度已降至0.31g/m3以下，被动展开式气动减速装置由于动压低、速度高的问题很难充气展开，并且以高超声速飞行的返回系统面临着气动热的严峻考验，逐渐发展出了应用于低密度大气超声速再入的主动充气式柔性展开气动减速器，其特点是具有密闭容腔，利用主动充气形成气动阻力面，同时具有防热功能，称为充气式可展开再入减速装置。主动充气展开的方式能够快速建立气动外形实现减速，同时在气动保形和热防护方面具有显著优势。比如俄罗斯与欧空局（ESA）联合研制的IRDT以及美国NASA的IRVE这两种充气展开式返回试验飞行器，以及NASA的SIAD和HIAD（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator，超声速充气式气动减速器）[9]，计划用于空间站有效载荷的返回以及火星大气进入。

在120~1 000km的稀薄粒子流大气环境，空气分子自由程远大于近地大气，粒子以碰撞反射的形式与航天器表面发生作用并产生气动力。此时利用气动力使被动充气式气动减速装置正常展开，只能采用自主展开的方式形成大阻力面。如Global Aerospace Corporation提出的充气式增阻离轨装置（Gossamer Orbit Lowering Device，GOLD）[10]概念机即利用展开如图3所示呈球形的柔性充气结构，实现低轨无自主机动力的卫星离轨再入。文献[11]基于IRVE的启发提出了一种用于废弃卫星和轨道碎片的先进充气离轨解决方案。

图3 充气展开及折叠包装状态的GOLD

综上所述，由于柔性展开气动减速器的多种构型能够适应不同大气条件，其应用已遍布海陆空天以及地外天体各个空间领域，如图4所示。

图4 柔性可展开气动减速器的空间应用

2 柔性可展开气动减速技术内涵及关键技术

2.1 技术内涵

虽然各种气动减速器的应用场景不尽相同，然而其工作过程都需要经历拉直、充气展开、保形产生气动力几个阶段。在充气展开阶段，由于柔性展开结构的气动外形不同于机械结构飞行器，其充气展开过程中气动外形的变化有着非线性强、随机性和变形幅度大的特点，而气动外形的急剧变化则必然引起气动载荷的快速变化。气动保形阶段是柔性可展开气动减速器真正实现减速功能的主要阶段，成功的充气展开过程是气动减速器工作的前提条件，保持气动外形实现减速功能则是气动减速器的最终目的。

因此，通过力学分析和结构设计控制柔性结构的展开过程，是快速建立有效气动外形的前提，也是实现气动减速功能的关键环节。不论是被动充气式展开减速装置还是主动充气式展开减速装置，其展开过程均是柔性结构在气动载荷下的快速大变形过程，只有通过大量的多体动力学、气动力学的耦合分析及物理试验，才能准确获取关键力学和运动特性参数。对于降落伞和翼伞，不仅需要结合载荷体的质量、外形特征设计伞的构型，还需要分析从折叠包装状态到拉直、充气和展开过程中，伞衣、伞绳和连接部件上的载荷分布情况，以及舱伞组合体在这一过程中的姿态和运动轨迹。对于主动充气式展开的气动减速器，在结构设计时还需要考虑充气展开过程中内部气体的压力载荷和外部来流产生的气动力载荷同时作用下的受力情况，以及高速飞行过程中气动热对结构的影响等问题。一方面，对于减速器的工作级数、组成设计和充气展开策略的制定，必须基于减速器系统宏观和细节的力学分析和地面试验验证。另一方面，通过力学分析获得柔性结构的力学和运动特性也为精确预测航天器返回过程的运动学参数提供了基础。

综上所述，在近地大气不考虑气动热的情形下，柔性可展开气动减速技术的理论基础即为空气动力学、柔性结构动力学以及二者结合形成的流固耦合力学；在高速进入减速包含气动热的情形下，还要增加结构热力学的耦合分析。因此，柔性可展开气动减速技术的理论研究可归纳为在气动载荷下的柔性结构动力学分析问题。包含各种充气式展开结构在稳定减速阶段的气动力和力矩分析、充气展开过程中气动和结构快速大变形耦合的力学分析、以及在考虑内部高压气体和外部高速流双重作用下的力学和热力学耦合分析，力学分析是柔性可展开气动减速器研究的理论基础，随着力学分析所涉及的物理场复杂程度急剧提升，对于数值分析技术和计算资源都提出了极大挑战。

2.2 关键技术

实际工程应用中针对航天器气动减速系统的力学分析问题，按照真实物理模型建模进行仿真分析几乎无法完成，建立尽量贴近物理模型的柔性结构充气展开数学模型，进而获得准确的力学和运动学特性，将为柔性展开式气动减速器的研究带来极大促进。从目前国内外的发展现状来看，柔性可展开气动减速技术在基础理论方面的关键技术可分为以下三个方面：

（1）气动特性预测和分析技术

飞行器在大气中飞行时，气动载荷是引发航天器各种运动、力、热现象的重要原因。众所周知，目前风洞试验和投放、飞行等物理试验是验证目标气动性能的最佳手段。但物理试验的高成本和无法快速响应是国内外研究机构都无法解决的难题。如何能在气动减速器概念方案或设计阶段较为准确的预测其气动特性显得尤为重要。针对地球、火星等大气环境，利用基于求解N-S方程的流场分析方法，计算柔性展开式气动减速器的气动力最为常见。文献[12]建立了翼伞的索膜有限元模型，并结合有限体积法对气动载荷进行了预测，考察了前缘切角和翼肋形状对伞衣表面压力分布的影响；文献[13]通过对降落伞的流场进行数值模拟，研究了网格质量对流场计算精度的影响，计算表明采用分块式贴体网格能够在计算精度、效率和稳定性方面到达良好平衡；文献[14]利用基于有限体积法对降落伞在稳降阶段的流场进行了分析，获得的降落伞气动性能以及流场特性与实验结果吻合良好；文献[15]建立了带有透气量的环帆伞流场模型，结合高精度空间和时间离散格式，对环帆伞的流场特性进行了研究，在获得环帆伞气动特性的同时探究了伞衣透气量对降落伞的流场影响机理。

（2）柔性结构动力学分析技术

不同于刚性和弹性结构，柔性结构的力学非线性格外凸显，用于描述柔性结构的动力学模型以及离散后的单元属性都更加复杂。对于柔性结构的展开过程力学分析，最理想的解决办法是采用流固耦合方法进行计算，但实际中由于流固耦合计算的代价较大。对于一些气动载荷影响不大的动力学过程，常采用多体动力学模型对物伞系统进行模拟，如充满状态的降落伞可视为一个刚体，进而利用多体动力学对物伞系统进行飞行轨迹、过载和连接部受力情况等宏观参数的计算。例如：文献[16]建立了降落伞与载荷体的整体动力学模型，静态流场分析和动态流场及动力学模拟的结果表明，降落伞在钟摆运动过程中的气动力与静态情形下有较大差异，利用动网格技术获得降落伞的流场特性是一种更为准确的模拟分析方法；文献[17]首先利用计算流体力学方法获得航天器的超声速尾流场速度分布，然后建立降落伞弹射拉直过程的动力学模型，对尾流影响下的降落伞弹射动力学进行了分析；文献[18]和文献[19]分别针对火星着陆器的进入、减速和着陆过程建立了精细的降落伞系统动力学模型，结合前体的六自由度刚体模型，对火星探测器的进入弹道动力学特性进行了分析；文献[20]建立了降落伞伞包与前体球底的组合体动力学数值仿真模型，利用非定常流场分析方法研究了前体尾流影响下回收系统弹射分离过程的气动与动力学特性。

（3）流固耦合分析技术

柔性可展开结构的充气展开过程是极其关键的工作过程，且是一个几何非线性与材料非线性并存的复杂动力学过程。利用流固耦合分析方法研究柔性结构力学特性的难点主要有三点：第一是需要建立能够模拟柔性材料力学特性的本构模型，直观和准确的模拟瞬态大变形的非线性动态过程；第二是选用合适的流场计算方法，在保证流场求解不失真的前提下又不显著降低计算效率；第三是流场和结构场的数据交互，其中涉及网格变换和时间步长的协调，流固耦合界面物理量传递等多个数值问题。因此，针对柔性结构的流固耦合分析问题至今仍是数值计算领域的热点研究方向之一。比如从近地低速连续流气动分析扩展至全速域连续流，以及稀薄离散粒子流气动分析；从流固耦合扩至流固热多物理场耦合分析。例如，文献[21]建立了降落伞的流固耦合有限元分析模型，基于LS-DYNA软件对充气过程进行了数值模拟，得到了降落伞的充气时间和投影面积随充气展开过程的变化的规律，探索了利用流固耦合方法预测降落伞动态大变形过程的新途径；文献[22]发展了一套结合流场方程预处理有限体积法、非线性有限元以及拟固体动网格三种技术的降落伞流固耦合数值分析方法，对降落伞工作状态的喘振现象以及稳降过程动力学特性进行了分析；文献[23]在NASA的低密度超音速降落伞（火星伞）研制过程中，针对降落伞充气展开工作异常的现象，联合加州理工学院喷气推进实验室和斯坦福大学发起了一项研究合作，旨在推进对超音速降落伞流固耦合分析技术的发展。文献[24]得到利用二次NURBS函数对降落伞的外形进行重构，并结合孔隙度模型使降落伞流固耦合计算精度得到进一步提高。

根据上述关键技术分析，结合柔性气动减速器的应用需求，对柔性气动减速技术的共性基础技术和个性化关键技术进行了总结。柔性气动减速技术的理论需求分布如图5所示。

图5 柔性气动减速技术的理论需求分布

由图5可见，从基础的降落伞直至IRDT，所涉及的力学分析学科交叉度和难度都在不断提升。气动特性预测和分析技术、柔性结构动力学分析技术和多物理场耦合分析技术，这三项关键技术是所有柔性可展开气动减速器的力学分析基础。如何能提高分析精度，更好支撑工程应用，是理论与数值分析技术发展的源动力。

3 结束语

柔性可展开气动减速技术是航天器进入减速着陆的核心关键技术。本文首先对柔性可展开气动减速技术的内涵与研究现状进行了总结，其次对柔性可展开气动减速技术涉及到的理论关键技术进行了概括与分析，最后对柔性可展开气动减速技术的理论需求分布进行了梳理，并针对其后续的应用进行了展望。

需求是技术发展和应用的牵引力，面对当前航天任务的低成本和高可靠性要求，大力发展数值仿真技术，促进理论研究的同时有效降低试验成本是未来的必然趋势。目前，国外在柔性可展开气动减速技术的理论和飞行验证研究方面都有一定的优势，尤其在数值分析领域进行的大量深入研究不仅节省了物理试验成本，更直接促进了理论研究发展。考虑到柔性可展开气动减速技术对于载人航天及地外天体探测的重要意义，有必要对非柔性可展开气动减速技术进行深入研究，针对其中的难点问题进行突破，为我国在未来航天任务提供必要的技术储备。

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Research on Flexible Deployable Inflatable Deceleration Technology

WANG Liwu1,2WANG Qi1,2LEI Jiangli1,2WANG Yongbing1,2LI Jian1,2WANG Wenqiang1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）

Technology of flexible deployable inflatabledecelerators is the key to achieve deceleration and landing after the reentry into atmosphere of a manned spacecraft, Lunar explorer or Mars explorer, which has important theoretical value and engineering significance. Based on the application in scenarios of earth-atmosphere at different heights, the flexible deployable pneumatic decelerators are classified and introduced, and the extensional application of extraterrestrial space is briefly demonstrated in this paper. Then the summary of recent research and connotation of flexible deployable inflatable decelerating technology are represented. Finally the key techniques of dynamics such as aerodynamics, structural dynamics of flexible decelerator and fluid-structure coupling are concluded theoretically. According to the research status and key technology, the future application and technical development of flexible deployable inflatable device are prospected.

flexible deployable inflatable technology; aerodynamic decelerator; reentry, descent and landing

V417

A

1009-8518(2020)01-0001-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.01.001

2019-09-20

国家重大科技专项工程

王立武, 王奇, 雷江利, 等. 柔性可展开气动减速技术研究[J]. 航天返回与遥感, 2020, 41(1): 1-9.

WANG Liwu, WANG Qi, LEI Jiangli, et al. Research on Flexible Deployable Inflatable Deceleration Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(1): 1-9. (in Chinese)

王立武，男，1978年生，2013年获西北工业大学飞行器设计专业工程硕士学位，现在东南大学攻读博士学位，高级工程师。研究方向为航天器返回与着陆技术。Email：348949278@qq.com。

（编辑：陈艳霞）