國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院講師張夢(mèng)櫻為您講述——

　　降落傘系統(tǒng)：航天器著陸的“平安之花”

　　4月16日上午，一頂紅白相間的降落傘在東風(fēng)著陸場(chǎng)上空像一朵鮮花徐徐展開(kāi)。隨著返回艙的著陸，3名航天員安全歸航，神舟十三號(hào)載人航天任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。

　　在廣袤的東風(fēng)著陸場(chǎng)，降落傘就是最明顯的指引。只要捕捉到它的身影，地面搜救人員就如同吃了一顆定心丸。

　　降落傘是利用空氣阻力實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)減速的裝置，在載人航天返回、類(lèi)地天體探測(cè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

　　今天，就讓我們對(duì)降落傘系統(tǒng)一探究竟。

　　載人飛船降落傘——

　　守護(hù)航天員回家“最后十公里”

　　讓我們?cè)俅伟岩暰€(xiàn)拉回4月16日那天，回顧神舟十三號(hào)飛船的返回過(guò)程。

　　神舟十三號(hào)飛船在軌飛行5圈后，首次在快速返回模式下返回地球。與神舟十二號(hào)飛船返回相比，該模式將返回時(shí)間由一天多縮短到幾小時(shí)，大大改善了航天員的舒適性，提高了任務(wù)完成效率。

　　經(jīng)歷了熱障和黑障，載人飛船回收著陸的最后一棒交給了神舟飛船降落傘系統(tǒng)。

　　距離地面10公里高度時(shí)，飛船速度由第一宇宙速度降到大約200米/秒，多級(jí)開(kāi)傘程序啟動(dòng)。

　　首先，返回艙上的靜壓高度控制器通過(guò)測(cè)量大氣壓力，判定開(kāi)傘高度，傘艙蓋自動(dòng)彈出，引導(dǎo)傘和減速傘依次拉出。減速傘將返回艙速度減至約180米/秒。隨后，飛船返回艙速度和高度進(jìn)一步降低，主降落傘從傘艙彈出，經(jīng)歷兩級(jí)充氣減速，速度降至約40米/秒。此時(shí)，1200平方米的主傘完全展開(kāi)，防熱大底被拋掉。下降過(guò)程中，返回艙減速至約7～8米/秒，保證航天員在低速狀態(tài)下平穩(wěn)下降。

　　經(jīng)過(guò)層層開(kāi)傘減速，為避免著陸緩沖段返回艙與地面“硬碰硬”，在距地面高度約1米時(shí)，返回艙精確控制4臺(tái)著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)反推 “剎車(chē)”的方式，將速度降至約2米/秒，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)軟著陸，以減輕航天員所受沖擊。

　　落地并非萬(wàn)事大吉，主傘可能會(huì)被風(fēng)吹起，拖曳返回艙在地面滑跑，順風(fēng)情況下可滾動(dòng)七八千米。為此，在落地瞬間，主傘上的切割器將剪斷傘繩，讓主傘脫落，確保返回艙不會(huì)被拖走。

　　事實(shí)上，為確保航天員的安全，自神舟九號(hào)起，飛船回收著陸系統(tǒng)就在程序脫傘模式基礎(chǔ)上，增加了航天員手動(dòng)脫傘模式，有效避免了著陸場(chǎng)環(huán)境對(duì)航天員的威脅。

　　地外行星降落傘——

　　護(hù)航祝融號(hào)落火的使者

　　有人提出疑問(wèn)，返回地球任務(wù)所用的飛船降落傘系統(tǒng)是否適用于各種航天任務(wù)？讓我們以天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)為例，探討一下這個(gè)問(wèn)題。

　　天問(wèn)一號(hào)著陸的紅色星球——火星，素有“探測(cè)器墳場(chǎng)”之稱(chēng)。全世界累計(jì)40余次火星探測(cè)任務(wù)中，能成功穿越火星大氣層，平穩(wěn)著陸的僅有9次。中國(guó)之所以能成為世界上第二個(gè)成功實(shí)現(xiàn)火星軟著陸并開(kāi)展火星探測(cè)的國(guó)家，火星降落傘功不可沒(méi)。

　　2021年5月15日，在經(jīng)歷296天太空之旅后，中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器天問(wèn)一號(hào)攜帶著祝融號(hào)火星車(chē)穩(wěn)穩(wěn)降落在首選落點(diǎn)——火星北半球的烏托邦平原。

　　經(jīng)歷5分鐘左右的氣動(dòng)減速，探測(cè)器速度降至約2馬赫。此時(shí)，火星降落傘“登場(chǎng)”，它的任務(wù)是把天問(wèn)一號(hào)從2馬赫的超聲速減速至95米/秒。

　　火星大氣層稀薄，在10千米高度、大氣密度僅為地球大氣密度的1/100。因此，在著陸階段，為天問(wèn)一號(hào)保駕護(hù)航的火星降落傘，與地球返回任務(wù)所用的降落傘相比，在開(kāi)傘條件、工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均大不相同。

　　由于火星大氣層密度低，探測(cè)器在氣動(dòng)減速之后，速度仍比聲速快，動(dòng)壓卻只有500帕左右。在超聲速條件下開(kāi)傘，降落傘傘衣前將出現(xiàn)弓形激波流場(chǎng)。盡管這道激波不足以使降落傘流場(chǎng)環(huán)境變復(fù)雜，但傘前面還有一個(gè)探測(cè)器。探測(cè)器不僅自身會(huì)產(chǎn)生一道激波，還會(huì)在其后方形成一道又細(xì)又長(zhǎng)的尾流。可以想見(jiàn)，當(dāng)探測(cè)器尾流和傘前的激波“狹路相逢”，降落傘周?chē)鷮⑿纬筛叨葟?fù)雜的非定常流場(chǎng)，導(dǎo)致傘衣劇烈抖動(dòng)，像水母一樣“呼吸”起來(lái)，產(chǎn)生一系列嚴(yán)重的“喘振”現(xiàn)象。

　　大氣層密度低會(huì)帶來(lái)這樣的挑戰(zhàn)：獲得同等氣動(dòng)阻力需要更大傘衣面積，系統(tǒng)重量和體積相應(yīng)增加。同時(shí)，會(huì)使降落傘的穩(wěn)定性降低、擺動(dòng)角變大。而低動(dòng)壓意味著低氣動(dòng)阻力，進(jìn)一步增大了傘從“呼吸”和擺動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定的難度。如此狀態(tài)下，開(kāi)傘可謂“步步驚心”。

　　因此，在火星降落傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要適應(yīng)低密度低動(dòng)壓條件下穩(wěn)定性干擾顯著的問(wèn)題，就要提高降落傘強(qiáng)度、局部結(jié)構(gòu)抗抖動(dòng)等復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的能力，并注重提高降落傘抗損傷擴(kuò)展的能力。

　　天問(wèn)一號(hào)使用的降落傘是鋸齒形盤(pán)縫帶傘：在平面圓形傘的盤(pán)周?chē)黾右粋€(gè)環(huán)形的帶，二者中間開(kāi)縫。同時(shí)，在底邊部分增加三角條幅，才能滿(mǎn)足低密度低動(dòng)壓條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)承載能力。

　　在局部加強(qiáng)材料方面，為應(yīng)對(duì)火星環(huán)境，天問(wèn)一號(hào)降落傘采用新的芳綸材料。另外，為了提高連接強(qiáng)度，傘繩也內(nèi)藏乾坤，采用新的插接工藝，直接把材料本體插接在一起，避免縫紉帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

　　降落傘的未來(lái)之路——

　　大型群傘技術(shù)未來(lái)可期

　　為了更好地減速，研制更大的單傘并非首選。

　　2020年5月8日，3朵紅白相間的巨大傘花掛著一個(gè)錐形鈍頭艙體在東風(fēng)著陸場(chǎng)上空徐徐降落。這是新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙。新一代載人飛船重量是神舟飛船的兩倍，最多可承載7名航天員返回地球。這就需要適應(yīng)新任務(wù)的降落傘減速系統(tǒng)。

　　新一代載人飛船試驗(yàn)船回收采用了大型群傘技術(shù)。群傘由3具大小與神舟飛船降落傘面積相當(dāng)?shù)膯蝹憬M成，可保證新一代載人飛船這個(gè)“大家伙”在回家“最后十公里”有效安全減速。

　　除了群傘技術(shù)，針對(duì)不同任務(wù)需求，還有更多研究要點(diǎn)需要注意。

　　比如，降落傘在地球的模擬研究。不同行星，大氣環(huán)境也不同，傳統(tǒng)的地球低高度空投試驗(yàn)不能有效驗(yàn)證行星降落傘系統(tǒng)是否合格。要想知道不同行星環(huán)境下降落傘是否可按照預(yù)想可靠工作，需合理選擇關(guān)鍵參數(shù)，模擬行星大氣開(kāi)傘的實(shí)際條件，通過(guò)多次地面驗(yàn)證，才能準(zhǔn)確回答這一問(wèn)題。

　　還比如，對(duì)降落傘的材料及強(qiáng)度的研究。研究人員必須追蹤高性能柔性織物材料的發(fā)展，材料性能的提升會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)方案的變革。

　　在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，降落傘仍舊是航天器著陸的首選減速設(shè)備。根據(jù)規(guī)劃，2022年中國(guó)載人航天工程將完成6次發(fā)射任務(wù)，包括天舟四號(hào)和天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十四號(hào)和神舟十五號(hào)載人飛船，以及問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射。屆時(shí)，中國(guó)空間站將全面建成，中國(guó)載人航天工程可謂“好戲連臺(tái)”。

　　讓我們共同期待紅白相間的飛船降落傘再次在東風(fēng)著陸場(chǎng)高空綻放，護(hù)送航天員安全歸航。

　　張照星 顧 瑩