环帆伞技术与发展综述

贾华明 杨霞 李少腾 牛国永 林汝领 刘乃彬

环帆伞技术与发展综述

贾华明1,2杨霞1李少腾1牛国永1林汝领1刘乃彬1

（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）

环帆伞具有开伞可靠、开伞冲击小和伞衣抗损伤能力强的特点，已广泛应用于载人航天回收系统。为全面了解和跟踪环帆伞技术的发展，特别是了解和掌握基于群伞使用的大型环帆伞技术，文章通过分析环帆伞的结构特点，总结环帆伞在航天领域的成功应用经验，证明环帆伞是大型降落伞，尤其是载人航天群伞技术的首选伞型。同时文章还对环帆伞的设计改进过程进行了回顾，包括伞衣侧剖面形状、伞衣上下缘张满度、透气量、使用材料、加工工艺和包伞技术。最后对群伞使用情况进行了探讨，尤其是开伞不同步的问题，并提出了提高充气同步性的建议，这对于中国新一代载人飞船群伞技术的研究具有重要的参考意义。

回收系统 环帆伞 伞衣侧剖面形状 张满度 群伞 载人航天

0 引言

作为对环缝伞的改进，美国的Edgar G. Ewing在1955年2月首次设计出了环帆伞[1]。在进行初期开发和早期失效分析之后，证明环帆伞可以作为逃逸系统的降落伞，从而应用到美国所有的载人航天器，取得了巨大成功，包括“水星号”、“双子星”和“阿波罗”载人飞船，以及最新的“猎户座”（Orion）飞船[2]。

环帆伞具有开伞迅速可靠，开伞冲击小，伞衣抗损伤能力强等优点，当降落伞设计要素中包含载人可靠性水平要求时，环帆伞就成了航天器降落伞的首选伞型[3]。随着大质量物体减速回收需求的增加，降落伞的面积也越做越大。本文将介绍国内外几种应用于航天领域的名义面积超过900m2的大型环帆伞，同时对环帆伞的设计改进过程进行回顾，这有助于全面了解和跟踪环帆伞技术的发展，特别是了解和掌握基于群伞使用的大型环帆伞技术，可以为我国新一代载人飞船群伞技术的研究提供参考。

1 环帆伞的结构特点

环帆伞由许多伞衣片拼接而成，每片伞衣的形状像一个独立的风帆，现代环帆伞大都伞衣上部采用环缝结构，伞衣下部上、下伞衣片之间形成月牙形的缝隙排气口，形成向下排气的波环结构，而排气口的大小通过控制伞衣幅宽度来实现[4]。环帆伞结构见图1所示。

在伞衣开始充气时，空气不仅仅可以从伞衣口进入，也可以从每个伞衣幅的前缘进入，由于伞衣外的气流能量高于伞衣里面，从伞衣前缘，空气源源不断的进入伞衣里面，这就加速了充气过程，有助于快速开伞[5]。

在稳定下降阶段，由于月牙形的缝隙，使伞衣后部形成由许多小漩涡组成的分离气流，小漩涡的随机非定常运动使伞能够在零攻角下稳定工作[6]。稳定下降时环帆伞气流示意，如图2所示。

图1 环帆伞结构示意

图2 稳定下降时环帆伞气流示意（A-A为剖面线）

2 大型环帆伞的代表之作

“百呎”系列环帆伞（CENTURY Series Ringsail Parachute）是由NASA载人航天中心（Manned Spacecraft Center，MSC）于1963年启动的一项预研计划，用于解决大型环帆伞设计和制造的相关问题，其背景是用于研制一种可替代“阿波罗”地球着陆系统（Apollo Earth Landing System，ELS）的降落伞，或是用于后续的重型航天器或星际探测器的着陆降落伞。诺斯罗普公司（Northrop）为该计划一共设计了三种环帆伞，其名义面积分别为1 130m2、1 180m2、和1 210m2。其中1 180m2的降落伞是一个失败的设计，其余两种都是成功的设计。

在1964年，NASA启动了名为“20K”的降落伞开发项目，即开发一种回收载荷为20 000lb（20K，即20×103）的降落伞，用于“阿波罗”飞船指令舱回收的备份模式。欧文公司（Irvin Aerospace Inc.）设计了一顶名义面积为2 620m2的环帆伞，试验结果表明其阻力面积比预期的要大，所以又设计了一顶较小的环帆伞，其名义面积为2 460m2。到目前为止，2 620 m2的环帆伞应当是世界上单伞名义面积最大的环帆伞。

美国空军新型一次性运载器计划（Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV）是一项发展新一代运载工具的计划，将用于中等和重型有效载荷的发射。在该项计划的低成本概念验证阶段（Low Cost Concept Validation，LCCV），波音公司（Boeing）提出的方案是回收并重复使用昂贵的推进系统和航电系统。欧文公司为波音公司提供了降落伞回收系统。其中主伞为3具名义面积为1 350m2的环帆伞组成的群伞[7]。

K-1可重复使用运载器（K-1 Reusable Launch Vehicle）是Kistler Aerospace公司正在开发的世界上第一种完全可重复使用的商业运载工具。它包括两级，第一级是发射辅助平台（Launch Assist Platform，LAP），第二级是轨道器（Orbital Vehicle，OV）。运载器LAP回收示意见图3（a）。欧文公司为K-1的两级设计了通用的主伞，其中LAP的回收主伞是由两套3个环帆伞系统组成的群伞，OV的回收主伞是一套三伞系统，单个主伞的名义面积为1 775m2[8]。

“猎户座”飞船是为美国重返月球研制的最新一代的载人飞船，可以用于火星、小行星和深空探测任务（Beyond Earth Orbit Exploration）。能适应各种常规任务与载人飞行任务，包括支持登月任务、国际空间站的往返以及将来火星等行星往返任务[9]，“猎户座”飞船的回收主伞仍然采用3个环帆伞组成群伞的形式，单个主伞的名义面积为982m2，由北美空降系统公司（Airborne Systems North American）负责研制和生产[10]。“猎户座”载人飞船回收示意见图3（b）。

中国的“神舟”飞船主伞采用单伞形式，名义面积达到了1 200m2，伞型也是环帆伞，从1993年开始研制，经过了大量的地面试验和空投试验验证，并经历了多次改进，技术状态逐渐固化，可靠性逐步增长，已经成功完成了多次载人飞行任务。“神舟”飞船回收示意见图3（c）。大型环帆伞的性能比较见表1。

图3 三种大型环帆伞

表1 大型环帆伞的性能比较

Tab.1 Performance comparison of large-scale ringsail parachute

3 技术发展

3.1 设计

3.1.1 伞衣侧剖面形状

环帆伞最初设计的截面形状都是接近四分之一球形，当截面形状为完全四分之一球形时，伞衣底边截面处的夹角=60°，当四分之一球形截面进行微调时，夹角也会发生相应的变化。由于在伞衣设计中引入了张满度，在开伞过程中发现伞衣充气后有松弛和内折的现象。诺斯罗普公司在第一项“百呎”环帆伞（名义面积1 130m2）的设计过程中，将球形的环帆伞去掉了几幅伞衣，形成了尖拱形截面的标准环帆伞设计。通过5次空投试验的验证表明，这种环帆伞的性能指标是满足要求的。从1964年9月开始，在第二项“百呎”环帆伞（名义面积1 180m2）研制过程中，伞衣结构采用一种双锥形侧剖面，经过空投试验和3次改型，发现在开伞过程中出现应力过度集中的现象，在低载荷条件下伞衣连续4次遭受破坏。试验结果表明这种双锥形截面环帆伞设计是不成功的。1965年9月，在总结了双子星座、“阿波罗”和前期“百呎”环帆伞研制经验的基础上，开始了第三项“百呎”环帆伞（名义面积1 210m2）研制，伞衣侧面回归到了尖拱形截面，经过3次空投试验结果表明，设计修改后的环帆伞完全符合验收标准，代表了最佳性能的通用环帆伞。

欧文公司由于采用了不同的张满度设计，从而解决了伞衣充气后内折的问题，所以欧文公司在随后的EELV、K-1和20K项目中环帆伞的设计仍然采用球形截面设计。

北美空降系统公司研制的“猎户座”飞船主伞同样采用了球形侧剖面的伞衣形状，通过张满度的严格控制以及精确的裁剪和缝纫工艺来保证伞衣外形不变[11]。

以上介绍的6种大型环帆伞的侧剖面形状见表2。根据环帆伞侧剖面形状的不同，美国对“标准”环帆伞和“改型”环帆伞进行了定义。“标准”环帆伞是指结构侧剖面为球形或尖拱形而没有宽缝或类似改型的环帆伞。“改型”环帆伞是指结构侧剖面为锥形或双锥形或者有宽缝结构的环帆伞。

表2 六种大型环帆伞的侧剖面形状

Tab.2 Planform constructed profiles of six large-scale ringsail parachutes

3.1.2 张满度

环帆伞的伞衣幅结构示意图见图4所示，伞衣上部采用环缝结构，下部采用波环结构，为伞衣沿径向的位置高度，R为伞衣沿径向总高度，R可以表征伞衣沿径向的相对位置。环帆伞沿着径向张满度系数发生变化，从而实现排气口大小的控制。张满度系数是指伞衣幅宽度与所在位置上伞衣幅理论宽度之比，张满度系数减去1，并用百分数表示则称为张满度。其中伞衣片的上缘张满度（A）定义为环（帆）片上缘尺寸相对于理论尺寸（根据伞衣侧剖面形状计算得到）的增大百分比，下缘张满度（B）定义为环（帆）片下缘尺寸相对于理论尺寸的增大百分比。由于上下缘张满度的不同，形成的月牙形的排气孔，是环帆伞在结构上的重要特征。在充气过程中，月牙缝起到辅助充气口的作用，有利于提高充气速度。在伞衣充满后，月牙缝的存在使得气流在流出伞衣过程中动量发生变化，增大了伞衣的阻力，同时，从月牙缝中流出的气体阻止了伞衣外气流的分离，增加了伞衣的稳定性。

图4 环帆伞伞衣幅示意

Edgar G. Ewing认为在环帆伞的顶部施加适当的张满度，将有利于改善顶部伞衣的受力条件。然而，Phillip R.Delurgio却认为，在伞顶取消张满度，采用环缝伞的结构形式，不仅完全能够满足强度要求，而且对于消除伞衣内折，改善伞衣的充气稳定性都是有好处的[12]。与此对应，诺斯罗普公司根据Edgar G. Ewing的标准环帆伞理论设计的早期环帆伞中，伞顶都分布有较大的张满度，而Phillip R.Delurgio所在的欧文公司设计的20K环帆伞顶部的张满度则较小，到了EELV和K-1则彻底取消了伞顶的张满度[13]。

在大部分的现代环帆伞设计中，都取消了伞衣底环的下缘张满度，这对于改善伞衣的稳定性是有好处的。

图5给出上面介绍的诺斯罗普公司和欧文公司的5种大型环帆伞的的张满度分布曲线，左、右图分别为上、下缘张满度。表3是相对应的张满度数据。由于设计理念的差别，两个公司在环帆伞张满度的设计上有较大差别。

表3 五种大型环帆伞的张满度

Tab.3 The fullness distribution of five large-scale ringsail parachutes

3.1.3 透气量

降落伞的透气量与降落伞的性能密切相关，所以透气量是降落伞设计的一个重要参数，降落伞的透气量由结构透气量和织物透气量两部分组成。一般来说，增大透气量有助于改善伞衣的稳定性，以及降低开伞动载；减小透气量将有助于增大阻力系数[14]。

对于环帆伞来说，在充满状态时帆与帆之间形成月牙形的排气口，这就具有了结构透气量，但环帆伞在平铺状态时帆与帆之间是没有缝隙的，因此环帆伞在计算结构透气量时，需要另行计算月牙形面积[15]。表4列出了“百呎”环帆伞的参考透气量。

表4 “百呎”环帆伞的参考透气量

Tab.4 Referenced porosity of CENTURY

早期设计的环帆伞一般选用的都是单一透气量的材料，现代环帆伞设计为了进一步提高性能，已经开始在伞衣的不同部位选用不同透气量的材料。在EELV和K-1主伞的设计中，在伞衣幅的上部、中部和下部分别采用了标准、中等和标准透气量的伞衣材料。

3.2 使用材料

最初的大型环帆伞所使用的主要材料基本都是传统的锦丝材料，因为锦丝材料具有强度高质量轻，抗冲击能力强的优点。随着材料技术的发展，越来越多的高性能织物材料在环帆伞得到了应用，如Kevlar®、Vectran®、Spectra®、Nomex®和Teflon®等[16]。表5列出了四种大型环帆伞所使用的典型材料。越来越多的不同种类的材料在同一顶降落伞上使用，所以在设计之初就应该充分考虑不同种类材料伸长率差别的问题。

表5 几种大型环帆伞的材料使用情况

Tab.5 The Material compositions of several large-scaled ringsail

使用边强增强的织边伞衣材料是早期环帆伞设计的一个特点，通过在伞衣边缘15mm范围内增加经纱的数量，来增加其强度，这种织边伞衣有效减少了交叉缝，显著降低了加工工作量。随着喷气织机等新式织机的出现以及降落伞伞衣材料市场的萎缩，使得这种边强增强的织边伞衣材料的加工成本大大增加，已经基本停产。作为替代办法，现代环帆伞普遍采用了伞衣卷边的结构形式，这虽然增大了降落伞加工的工作量，却增加了伞衣环向强度，减小了伞衣颤振。通过火箭撬试验证明，与织边伞衣材料相比，采用卷边结构后，伞衣后缘颤振减少了45%～60%，而对前缘颤振没有明显效果。

3.3 加工

早期的环帆伞的伞衣的加工装配基本是按照Edgar G. Ewing的方法进行的，即首先裁剪伞衣环（帆）片，在环（帆）片的前后缘缝纫加强带，再用垂直带和径向带将一幅伞衣组装在一起，形成一个完整的伞衣幅，最后将不同的伞衣幅在径向带上通过卷缝形成完整的伞衣。图6表示了Edgar G. Ewing和EELV的径向带与径向带之间的主缝合部示意图。从EELV的主缝合部示意图可以看出，EELV的伞衣的基本装配方法已经与Edgar G. Ewing的方法不同了，即首先将同一环（帆）的伞衣片通过卷缝形成完整的环（帆），然后再通过在伞衣拼缝的上下方缝制径向带，形成完整的伞衣。

图6 环帆伞主缝合部

3.4 包伞

长条形折叠是伞衣最常用的折叠方法，能满足基本的工况条件，采用何种伞衣折叠方式，开伞的相对速度是最主要的考虑因素。大型降落伞在高速开伞的条件下，对伞衣开伞的可靠性、开伞的可再现性以及伞衣的重复使用等方面都提出了更高的要求，这就需要考虑新的伞衣折叠方法。如图7所示，双S折叠方法和四层折叠方法的主要优点是伞衣展开迅速，而且同步性好，这对于有最小打开时间要求的降落伞，比如逃生系统的降落伞，这种伞衣折叠技术在形成充气口的速度上是最快的。当开伞对称性要求很高，而且有重复使用要求时，比如大型伞和群伞，这种伞衣折叠技术可以将超前滞后开伞载荷因子，以及损伤因子降低到最小。

图7 伞衣折叠方法

4 群伞使用

随着回收质量的不断增加，很难靠单纯地增加降落伞的面积来满足使用要求，采用多个伞组成的群伞成为一种必然的选择。从可靠性的角度考虑，群伞系统的可靠性也要高于单伞系统。群伞方案对单伞的伞型没有特殊要求，但是同样是从可靠性角度出发，应用于航天领域的群伞项目的单伞大多采用环帆伞。

虽然群伞已经取得了成功并广泛的应用，但是由开伞不同步引起的问题仍然困扰着群伞的设计[17]。“阿波罗”地球着陆系统（The Appllo Earth Landing System）主伞在研制过程中为了解决开伞的不同步问题，进行了大量的地面和空投试验，最终也没有能对此问题进行满意的解决[18]。“猎户座”主伞也经历了多次结构设计更改，在伞衣上增加了“开窗”、“开缝”、“超级帆”的结构设计，如图8所示，通过降低阻力面积，增加透气量的方式提高群伞系统的同步性和稳定性[19]。

图8 “开窗”、“开缝”、“超级帆”示意

从百呎环帆伞和K-1等群伞的开伞载荷曲线上可以看出，初始充气阶段各伞之间的充气的同步性相对来讲是比较好的。随后在收口阶段和解除收口阶段，充气的不同步逐渐扩大[20]，造成这种扩大的原因，有收口阶段充气不同步的累积，有收口绳切割器延时的误差，有解除收口后充气的进一步不同步。群伞在初始充气完成后，已经很难对其充气过程进行控制了，各个伞衣完全是自由的进行各自的充气，因此，除了在伞衣的结构强度方面设置较大的安全裕度，提高各个伞衣承受载荷的能力外，很难对群伞的解除收口阶段的充气同步性进行控制了。而只能通过一些措施改进群伞在初始充气阶段充气的同步性，比如整体伞包设计（如K-1），即将多个主伞包捆扎在一起，使得主伞包同时拉出伞舱，同时解除封包，伞衣底边同时拉出伞包，保证伞衣底边同时进行充气[21]。在包伞技术上，为了改善各个伞衣之间展开、充气的同一性，可以采用双S折叠或四层折叠等伞衣折叠技术。在伞顶增加伞顶控制带，在伞衣底边设置收边带等措施[22]，对于促进伞衣充气的同步性也有一定帮助。

群伞的阻力系数通常是要低于单伞的阻力系数。表6列出了几种群伞与单伞的阻力系数对比。从表6中的数据可以得到粗略的估计，双伞系统的阻力系数是单伞的95%左右，三伞系统的阻力系数是单伞的85%左右。

表6 群伞与单伞的阻力系数对比

5 结束语

本文介绍了环帆伞的特点，对国内外几种应用在航天领域的名义面积超过900m2的大型环帆伞进行了回顾，重点对环帆伞设计技术的发展和改进进行了研究，对群伞使用情况进行了探讨，尤其是开伞不同步的问题，并提出了提高充气同步性的建议，这对于我国新一代载人飞船群伞技术的研究具有重要的参考意义。基于群伞使用的大型环帆伞接下来的研究工作，重点可以在以下几个方面进行探索：

1）以不同伞衣结构（侧剖面形状、张满度、透气量）形式的环帆伞为研究对象，开展仿真计算，研究其阻力特性和稳定特性；

2）追踪高性能柔性织物材料的发展，材料性能的提升会带来设计方案的变革；

3）借鉴国外的经验，解决环帆伞加工过程中的难题；

4）通过整体伞包设计、采用双S折叠或四层折叠等伞衣折叠设计、伞顶增加伞顶控制带等技术改进群伞充气的同步性、进而提高开伞同步性。

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Overview of the Technology and Development of Ringsail Parachute

JIA Huaming1,2YANG Xia1LI Shaoteng1NIU Guoyong1LIN Ruling1LIU Naibin1

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

The ringsail parachute has the characters of opening reliability, low opening shock and damage tolerance. It has been widely applied in manned space recovery system. In order to fully understand and track the development of ringsail parachute technology, especially the large-scale parachute technology based on chute cluster, this paper analyzes the structural characteristics of the ringsail parachute, and summarizes the successful application of ringsail parachute in aerospace, it is proved that ringsail parachute is the first choice for large parachute, especially for chute cluster of manned space. Furthermore, the paper also reviews the design improvement process of the ringsail parachute, including the shape of the planform constructed profile, fullness, permeability, materials, manufacture and packing. Finally, the use of chute cluster is discussed, especially the problem of asynchronous parachute opening, and suggestions to improve the synchronization of inflation are put forward, which has important reference significance for the research of new generation manned spacecraft chute cluster technology in china.

recovery system; ringsail parachute; planform constructed profile fullness; chute cluster; manned space

V445.2＋3

A

1009-8518(2021)03-0041-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.005

2020-08-27

国家重大科技专项工程

贾华明, 杨霞, 李少腾, 等. 环帆伞技术与发展综述[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(3): 41-51. JIA Huaming, YANG Xia, LI Shaoteng, et al. Overview of the Technology and Development of Ringsail Parachute[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 41-51. (in Chinese)

贾华明，男，1978年生，2005年获天津工业大学材料科学与工程专业硕士学位，现从事降落伞设计及高性能柔性材料研究工作。E-mail：jiahuam@163.com。

（编辑：陈艳霞）