嫦娥五号探测器回收分系统研制与验证

包进进 刘大海 荣伟 贾贺 张宇 王海涛 蔡凝

(1 北京空间机电研究所，北京 100094)(2 国防科技大学 航天科学与工程学院，长沙 410073)

嫦娥五号探测器作为我国月球探测“绕、落、回”三步走中第三步实施月球样品自动采样返回任务的飞行器，于2020年11月24日04时30分由长征五号运载火箭在文昌卫星发射中心发射升空，经历了发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、着陆下降段、月面工作段、月面上升段、交会对接与样品转移段、环月等待段、月地转移段和再入回收段等11个飞行阶段后，于2020年12月17日02时00分安全返回着陆场。嫦娥五号月球无人采样返回任务是我国航天迄今为止复杂度最高、技术跨度最大的任务。

回收分系统是嫦娥五号探测器返回器的一个重要组成部分，其主要任务是在返回器经过一次跳跃二次再入大气层，当返回器高度、速度下降到预定范围时，通过降落伞气动阻力，稳定返回器姿态，减小返回器下降速度，使返回器最终着陆速度满足规定的要求。

在满足开伞动压、开伞过载、减速性能等系列约束条件下，为了实现回收分系统轻小型化、高可靠性[1]的目标，嫦娥五号探测器返回器回收分系统需解决开伞载荷、结构布局、开伞脱伞可靠性、舱伞稳定性等系统匹配性设计难题，本文将从回收分系统降落伞减速方案、弹盖开伞方案、回收控制方案、降落伞连接与分离方案等几个关键环节论述回收分系统设计思路和设计结果。

1 任务概述及系统约束

嫦娥五号探测器采用绕月自由返回轨道飞行，经过发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、着陆下降段、月面工作段、月面上升段、交会对接与样品转移段、环月等待段、月地转移段飞行后，轨道器与返回器分离。返回器经滑行飞行后，以再入姿态进入地球大气层，并采用半弹道跳跃式再入返回方式。当返回器第1次下降到海拔高度约60 km时，借助气动力的作用，返回器再次跃出大气层，然后第2次进入大气层，下降到设计的开伞高度时，回收分系统开始工作，对返回器作进一步减速，最终确保返回器安全着陆。探测器主要飞行过程如图1所示。

图1 探测器主要飞行过程示意图Fig.1 Diagram of main flight process of Chang’e-5 spacecraft

嫦娥五号探测器返回器回收分系统需要在满足一系列初始条件、约束条件下，通过合理设计、优化方案，实现规定的功能，达到预定的性能指标要求。嫦娥五号探测器返回器回收分系统的主要初始条件、约束条件及性能指标包括：

(1)开伞高度大于10 km(海拔高度)；

(2)在开伞动压不大于5.0 kPa的条件下，降落伞各级开伞过载不大于7gn；

(3)返回器落地总质量为310 kg时，在着陆区海拔高度为1 km、地面风速不大于15 m/s的情况下，返回器乘降落伞下降的垂直着陆速度不大于13 m/s；

(4)回收分系统质量不大于22 kg。

2 回收分系统方案

回收分系统由结构装置、降落伞装置、控制装置、火工装置组成。其中，结构装置用于容纳降落伞及实现降落伞的连接与分离，降落伞装置通过其充气展开后的气动阻力实现返回器减速，控制装置用于在规定条件下控制降落伞开伞工作，火工装置用于降落伞的弹射拉直及分离。

2.1 回收分系统工作过程

回收分系统工作过程为按照预先设定好的执行程序进行的序列不可逆过程。嫦娥五号探测器返回器回收分系统采用两级降落伞减速方案，通过预置高度触发降落伞开伞，回收分系统具体的工作程序如图2所示。

图2 回收分系统工作程序示意图Fig.2 Diagram of working procedure of recovery system

(1)当返回器下降到11 km附近时，压力高度控制器接通，启动回收控制器中的时序功能模块。

(2)回收控制器按设计要求接到压力高度控制器接通信号后延时0.5 s发出弹盖拉减速伞指令，弹射器工作，弹射伞舱盖拉出减速伞。

(3)减速伞工作15 s达到稳定状态后，回收控制器发出脱减速伞指令。

(4)减速伞分离，拉出主伞，主伞呈收口状工作。

(5)主伞收口工作8 s后解除收口，主伞完全充气进一步减速。

(6)回收分系统启动390 s后，主伞达到稳定工作状态，回收控制器发出脱主伞保险解除指令。

(7)返回器乘主伞以小于13 m/s速度安全着陆。

(8)返回器着陆时通过过载开关发出着陆信号。

2.2 降落伞减速方案

嫦娥五号探测器返回器降落伞子系统采用由减速伞和主伞[2]构成的两个降落伞级，即由减速伞承受最大开伞速压，并稳定返回器的运动，为主伞开伞创造合适的条件，最后由主伞达到规定的伞降着陆速度[3]。同时主伞采用一次收口的方法，进一步控制各级开伞过载不致超出规定的限制要求。同时，为了避免伞舱盖在分离后的下落过程中追撞降落伞-返回器组合体，确保回收过程的工作可靠性和安全性，在减速伞包内增设了一个舱盖伞，用于伞舱盖的减速。降落伞子系统的组成如图3所示，各级伞的主要参数见表1。

表1 各级降落伞主要特征参数表Table 1 Main characteristic parameters of parachutes

图3 降落伞子系统组成示意图Fig.3 Parachute subsystem composition diagram

一般常规的两级降落伞减速方案均采用平衡两级降落伞开伞载荷的设计方案，本系统采用阻力面积为1 m2的减速伞主要是从舱伞系统的稳定性和弹盖拉伞两方面来考虑的。由于返回器的总体布局要求，降落伞与返回器之间的连接点位于返回器的侧面，且只能采用单点吊挂方式，同时返回器的质量特性比较小，从而使得返回器的姿态更容易受各种干扰因素的影响，对返回器返回着陆过程中的舱伞系统稳定性带来不利影响。考虑到返回器的布局相当紧凑，为避免或减少降落伞吊带与返回器间的相互磨损而导致降落伞系统工作失效，通过对物伞系统的稳定性分析，采用阻力面积为1 m2的减速伞，可以减小开伞载荷，进而有利于舱伞系统的稳定性。另一方面，返回器伞舱盖的质量特性也比较小，且减速伞组件的质量与伞舱盖的质量在同一数量级，相差不大，采用较小面积的减速伞，也即减小减速伞的质量，从而可以减小伞舱盖初始拉动伞包的拉力对伞舱盖弹射分离过程的运动特性的影响，进而有利于弹盖拉伞工作的可靠性。为了减小降落伞质量，同时采用轻质高强特纺材料将降落伞与返回器质量比降低到了2.4%，实现降落伞轻量化设计。

2.3 弹盖开伞方案

弹盖开伞作为嫦娥五号探测器返回器回收分系统第一个执行动作，成功与否直接关系着整个降落伞系统工作的成败[4]。由于嫦娥五号探测器返回器采用近似神舟飞船的缩比模型，伞舱布局在返回器的侧向，同时伞舱口框的法线不过返回器的质心，而返回器的质量约为神舟飞船的1/4，返回器的转动惯量约是神舟飞船的1/40～1/50；伞舱盖的质量约为神舟飞船的1/10，伞舱盖的转动惯量约是神舟飞船的1/40左右。基于上述特点将导致嫦娥五号返回器和伞舱盖分离时及分离后的姿态影响比飞船的要大。此外，由于返回器不具有密封功能，伞舱盖的分离还需要解决负压弹盖的问题。

综合上述问题，对于嫦娥五号探测器返回器回收分系统开伞方案设计，需要重点解决采用何种方式开伞、确定伞舱盖的弹射分离速度、负压弹盖以及伞舱盖与返回器的再次碰撞等几个问题。

针对上述提到的几个问题，通过多方案比较及仿真试验，嫦娥五号探测器返回器回收分系统开伞方案采用火工装置弹射伞舱盖，伞舱盖通过连接带与减速伞包相连，弹射伞舱盖时拉出减速伞包打开减速伞。为了保证同步将伞舱盖平稳弹射分离，以及兼顾点火电流的限制，采用2组非电传爆装置驱动4个弹射器将伞舱盖弹出(图4)。设计伞舱盖的弹射分离速度为22 m/s。

图4 两组4路非电传爆装置示意图Fig.4 Two sets of four-way non-telex detonation devices

2.4 回收控制方案

图5 回收控制功能原理框图Fig.5 Schematic diagram of recovery control function

2.5 降落伞连接与分离方案

降落伞的可靠连接与分离是回收分系统各级降落伞顺利工作最重要的因素之一，为了实现轻小型化要求，同时满足布局约束要求，嫦娥五号探测器回收分系统主伞与减速伞都采用单点吊挂的方案，吊挂点的位置在伞舱顶部，通过连接分离机构与返回器相连。为确保减速伞分离的可靠性，如图6所示，减速伞的分离采用冗余设计，即在连接分离机构底座上安装两个减速伞脱伞器，通过减速伞脱伞器的活塞回缩，解除对套筒的约束，实现减速伞的分离。套筒与减速伞脱伞器活塞配合设计，只要有一只活塞回缩减速伞载荷就能够将套筒拉走，从而实现脱减速伞的冗余。

图6 减速伞连接与分离方案示意图Fig.6 Diagram of parachute connection and separation scheme

综合上述降落伞减速方案、弹盖开伞方案、回收控制方案、降落伞连接分离方案等回收分系统方案，嫦娥五号探测器返回器回收分系统实测重量为21.6 kg，满足不大于22 kg的要求，实现了回收分系统优化设计，达到了回收分系统轻小型化要求。

3 仿真及试验验证

3.1 弹盖拉伞试验验证

针对嫦娥五号探测器返回器回收分系统采用的通过伞舱盖弹射分离的动能拉出并拉直减速伞的开伞方式[5]，以及采用舱盖伞改变伞舱盖运动特性避免发生伞舱盖弹射分离后与返回器-降落伞系统碰撞风险的设计，为了验证该设计的正确性及系统工作的可靠性，在研制过程中开展了地面弹盖验证试验和火箭橇弹盖拉伞验证试验。

地面弹盖验证试验主要是为了验证伞舱盖弹射分离装置的工作性能，舱盖伞设计的合理性，减速伞拉直过程的可行性、合理性及弹射分离拉伞过程的可靠性，如图7所示。地面弹盖验证试验结果表明，伞舱盖弹射分离并拉直减速伞方案设计合理、工作性能可靠稳定。

图7 地面弹盖试验情况Fig.7 Ground shell cover test

火箭橇弹盖拉伞验证试验主要是为了验证返回器动态弹盖拉伞方案设计的可行性和工作的可靠性。试验中返回器模型采用配平攻角安装方式，为了模拟返回器正常返回状态下弹盖拉伞工作情况，如图8所示。火箭橇弹盖拉伞验证试验结果表明，正常返回状态下返回器弹射伞舱盖拉出并拉直减速伞工作可靠。

图8 火箭橇试验情况Fig.8 Rocket sled test

3.2 降落伞工作过程动力学仿真分析

针对嫦娥五号探测器返回器的回收过程，建立了返回器回收分系统工作过程的动力学仿真模型，对回收分系统正常返回标准工况进行了仿真分析，以考察整个降落伞系统工作过程的运动特性及设计的正确性。仿真结果表明，在正常返回条件下，降落伞系统运动学及动力学参数均在设计范围内，工作时序设计合理。

同时对正常返回回收分系统工作过程进行了正交试验，仿真试验中设置了18个偏差参数。统计结果见表2所示。

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表2 开伞过载和垂直着陆速度极值表Table 2 Extreme parachute opening overload and vertical landing speed

(1)减速伞开伞过载最大约为3.09gn，最小约为1.12gn；主伞一级开伞过载最大约为5.32gn，最小约为3.21gn；主伞二级开伞过载最大约为4.41gn，最小约为2.30gn。

(2)返回器乘降落伞减速后的垂直着陆速度最大约为12.89 m/s，最小约为10.91 m/s。

综上结果，可以得出各级降落伞的开伞过载满足不大于7gn的要求，垂直着陆速度满足不大于13 m/s的要求。

3.3 空投试验验证

空投试验是为了全面验证回收分系统设计正确性、工作程序合理性、各装置工作协调性以及主要技术指标满足性的主要手段，也是获取回收分系统工作可靠性数据最直接最重要途径。

嫦娥五号探测器返回器回收分系统全周期研制工作中，共进行了4批次共18架次的空投试验[6-7]。采用2种不同外形模型进行试验，完成了降落伞及系统性能试验[8-10]、降落伞强度试验及批抽检试验等。其中降落伞选型试验、降落伞结构参数调整等研制性试验，共计6个架次，采用航弹模型，如图9所示。降落伞及系统性能试验、主伞强度试验及批抽检试验，共计12架次，采用与返回器外形一致的全尺寸模型，如图10所示，试验中降落伞工作情况如图11所示。

图9 航弹模型Fig.9 Air bomb model

图10 全尺寸模型Fig.10 Full size model of capsule

图11 全尺寸模型空投试验降落伞工作情况Fig.11 Parachute working of full-size model airdrop test

空投试验的结果表明，回收分系统减速性能、降落伞工作动力学参数满足返回器总体要求，系统各装置工作协调。具体的试验结果为：返回器乘主伞在1 km海拔高度处的垂直下降速度为11.06～11.98 m/s范围内(折算到310 kg着陆质量的结果)，满足不大于13 m/s的要求；各级降落伞开伞所产生的最大过载位于2.36gn～5.35gn范围内(折算到310 kg着陆质量的结果，不考虑强度空投试验等拉偏工况)，满足不超过7gn的要求；减速伞和主伞的开伞动压均有1.5倍的安全系数，减速伞能承受不小于9.5 kPa的开伞动压，降落伞系统具有足够的强度裕度。根据降落伞系统可靠性评估方法[9-10]，降落伞系统可靠性指标满足要求。

4 飞行验证

嫦娥五号探测器返回器于2020年11月24日04时30分在文昌卫星发射中心发射升空，经历了在轨11个飞行阶段后，于2020年12月17日02时00分安全返回内蒙古四子王旗着陆场。

通过分析返回器回收着陆过程中返回器过载GPS实测数据、回收弹道着陆场雷达测量数据、返回器实测落点数据，得出飞行任务中回收分系统如下工作性能结果。

(1)弹盖拉减速伞至减速伞工作最大过载2.223gn，主伞收口工作最大过载5.088gn，主伞全装满工作最大过载4.505gn，主伞全张满工作后返回器过载最终稳定在1gn附近，满足不大于7gn的要求。通过过载峰值出现的时间可以看出，回收分系统工作程序执行结果满足弹盖后15.5 s脱减速伞拉出主伞、主伞收口工作8 s后解除收口全张满工作的设计要求。返回舱乘降落伞下落过程中过载见图12。

图12 返回器乘降落伞下落过程中的过载Fig.12 Capsule overload during the parachute descent

(2)通过着陆场雷测高度数据结果计算得到垂直下降速度数据为12.80 m/s(高度3.16 km处)，经密度折算后，得到着陆速度为11.48 m/s(1 km)，满足不大于13 m/s的要求，开伞高度为11.4 km，满足不小于10 km的要求。返回舱回收弹道结果见图13。

图13 返回器回收弹道结果Fig.13 Capsule recovery ballistic results

(3)经过返回舱回收任务实施过程中风修正，实测落点经纬度为东经111°26′20″、北纬42°20′19″，相对于理论落点的距离为1356 m。返回器从30 km下降至2.7 km下落过程中星下点经纬度见图14。

图14 返回器下落过程中星下点的经纬度Fig.14 Latitude and longitude of the sub-satellite point during capsule descent

经过嫦娥五号探测器返回器飞行任务回收过程中实测数据分析结果可以看出，回收分系统工作过程的程序执行、开伞过载、返回器乘降落伞减速后的垂直着陆速度等关键性能指标都可以满足飞行任务的要求(表3)，有力保证了返回器落点高精度实施结果。

表3 嫦娥五号回收分系统主要技术指标比对情况Table 3 Comparison of Chang’e-5 recovery system main technical indexes

比对嫦娥五号探测器飞行任务结果与仿真、空投试验结果，可以看出：

(1)针对返回器乘降落伞减速后的垂直着陆速度，嫦娥五号探测器飞行任务结果在仿真和空投试验结果包络范围内，均满足不大于13 m/s的要求；

(2)针对各级降落伞开伞过载，嫦娥五号探测器飞行任务结果在空投试验结果和仿真结果包络范围内，均满足不大于7gn的要求。

综合上述结果表明，嫦娥五号探测器返回器回收分系统工作性能稳定，成功完成了嫦娥五号探测器返回器回收任务。

5 结束语

针对嫦娥五号返回器回收的初始条件、约束条件以及返回器的相关特点，通过大量的仿真分析、地面试验和空投试验等，采用非常规的两级降落伞减速方案，研制出了一套适用于半弹道跳跃式返回轻小型航天器的轻量化、高可靠回收分系统，解决了嫦娥五号返回器降落伞开伞载荷、结构布局、开伞脱伞可靠性、舱伞稳定性等系统匹配性设计难题。在嫦娥五号月球无人采样返回任务中，回收分系统工作性能稳定、可靠，开伞过程正常、回收指令发出正确，回收着陆过程中各动作均准确执行，各项技术指标满足要求，确保了嫦娥五号返回器携带月球样品安全返回着陆回收。