“神舟八號”飛船主傘的改進設計與試驗

李 健 唐明章

（北京空間機電研究所，北京100076）

1 引言

“神舟號”飛船主傘從1993年開始研制，經過持續改進，可靠性不斷增長，已經成功完成“神舟五號”至“神舟七號”三艘載人飛船的回收任務。但是在長期使用中發現，主傘經常出現少量的局部破損，雖然破損面積不到主傘面積的1%，并不影響主傘的功能和性能，但從載人航天對可靠性的高要求考慮，還是對“神舟八號”主傘進行了局部的改進設計。改進的目的是減少主傘的局部破損，提高主傘的可靠性。改進的主要措施是增加了傘衣保護布和牽頂傘。改進后的主傘經過了數十次的地面試驗和空投試驗的驗證，主傘破損比改進前減少了約70%，達到了改進目的。

本文介紹“神舟八號”飛船主傘改進的設計與試驗工作。

“神舟號”飛船主傘的功能是，在飛船正常返回、應急返回、逃逸救生等多種情況下，在減速傘將主傘從主傘艙中拉出后，利用氣動阻力，穩定返回艙的姿態，降低返回艙的下降速度，為著陸反推裝置對返回艙進一步減速創造必要條件。

“神舟號”飛船主傘傘型是環帆傘。環帆傘的結構特點是由很多傘衣片拼接而成，每片傘衣的形狀像一個獨立的風帆，傘衣片與傘衣片之間形成梯形或月牙形的縫隙。環帆傘的性能特點是充氣性能好，開傘動載小，阻力系數大，穩定性好，抗損傷能力強。因為環帆傘有這些優秀性能，所以廣泛用作航天器的回收主傘。

“神舟號”飛船主傘的名義面積為1 200m2，是目前國內面積最大的單體降落傘。主傘的結構示意圖見圖1所示。

圖1 主傘結構示意圖

2 主傘的改進設計

2.1 改進的原因

“神舟號”飛船主傘從1993年開始研制，經過了大量的地面試驗和空投試驗驗證，并歷經多次改進，技術狀態逐漸固化，可靠性逐步增長，已經成功完成“神舟五號”至“神舟七號”三艘載人飛船的回收任務。

雖然“神舟號”飛船主傘已經相當成熟，但是在使用中經常會發現傘衣有一些局部破損，表現為少量傘衣有摩擦熔燙痕跡，小洞，甚至個別傘衣撕裂，損傷面積小于傘衣總面積的1%。圖2和圖3所示為典型的傘衣破損型式。

圖2 熔洞、燙痕

圖3 傘衣幅撕裂

雖然主傘的局部破損不影響主傘的功能和性能，但考慮到載人航天對可靠性的高要求，有必要進行改進。

2.2 改進方案

“神舟八號”主傘改進的目的是減少主傘的局部破損，提高主傘的可靠性。

改進的原則是，在達到改進目的的前提下，盡量少增加質量，盡量少改變“神舟七號”主傘的技術狀態，不改變主傘與其它產品的接口關系，不改變傘包的形狀。

經過反復分析論證，判定主傘傘衣局部破損產生的原因是：在開傘過程（拉直和充氣過程）中，傘衣摩擦和抽打造成了傘衣的初始損傷，然后在充氣氣流的作用下，受傷的部位進一步破壞。

傘衣在傘包中包裝時采用了壓力包裝，包裝密度約為0.5kg/m3，大致與松木的密度相當。主傘傘繩和傘衣順序從傘包中拉出成直線的過程叫做拉直過程。傘衣拉直過程的末段，傘衣與傘包之間的相對速度大約是70m/s。傘衣材料為錦綸，熔點為220℃～260℃。從包裝非常緊密的傘包中高速拉出傘衣，傘衣與傘衣之間因摩擦生熱，引起了材料局部熔燙損傷。

傘衣拉直之后，第一股空氣團開始從傘衣底部給傘衣充氣，并迅速的向傘頂推進，在空氣團推進過程中，傘衣頂部會在周圍氣流的作用下迅速甩動，嚴重的情況會形成魚鉤的樣子，自己抽打自己，這種抽打很容易造成傘衣的損傷。

為了減少傘衣的摩擦損傷，可以采用兩種方法。一種方法是從提高傘衣自身的耐摩擦損傷的角度著手，更換傘衣材料，或者在現有材料上涂覆新型防灼劑。采用這種方法，對主傘的技術狀態改動較大，主傘質量增加較多，以往各項試驗的可靠性數據難以繼續使用，需要重新進行大量的驗證試驗，技術風險較大。第二種方法是從防止傘衣材料之間摩擦的角度著手，采取的措施是在傘衣外包裹一塊保護布。這塊保護布縫在傘衣某根徑向帶上。在包傘時，用這塊布將折疊好的傘衣裹起來，然后用縫線將保護布邊緣縫在一起，形成一個圓筒的樣子。這樣，在包傘時，上下部的傘衣被保護布隔離，不能直接接觸。在傘衣拉出傘包的過程中，理論上只有保護布自身在高速摩擦，避免了傘衣之間的直接摩擦。在傘衣充氣過程中，保護布邊緣的縫線崩斷，不影響傘衣正常充氣。因為傘衣保護布有依靠自身摩擦避免傘衣摩擦的工作特點，所以它又叫犧牲片。采用傘衣保護布的方法，對主傘的改動很小，質量增加不多，以往的可靠性試驗數據可以繼續使用，僅需做少量的驗證試驗，技術風險小，所以經分析比較后，決定采用第二種方法，即在傘衣外包裹傘衣保護布。

為了抑制傘衣頂部的抽打，可以給傘頂施加一個牽引力，限制傘頂運動，使傘頂不能抽打到下部的傘衣。牽引力的提供可以采用兩種方法。一種方法是采用撕裂帶，撕裂帶是兩根縫制在一起的帶子，其中一根帶子與傘包相連，一根帶子與傘頂相連。在主傘初始充氣階段，受到分離的傘包與傘衣的力的作用，撕裂帶間縫合部的縫線依次拉斷，在傘衣頂部維持了一定的牽引力。這種方法結構簡單，但質量增加較多[1]。第二種方法是在主傘頂連接一頂牽頂傘，依靠牽頂傘的氣動阻力，給主傘頂提供一定的牽引力。這種方法結構略復雜，但質量增加較少。這兩種方法都不需要對主傘進行改動。經綜合分析論證，決定采用牽頂傘方案。

2.2.1 傘衣保護布設計

傘衣保護布是一塊綢布，縫制在傘衣的某根徑向帶上。當傘衣在包傘臺桌上折疊好后，用這塊保護布將折疊好的傘衣包裹起來，然后用縫線將保護布縫合，之后才將傘衣裝填入傘包[2-3]。圖4所示為傘衣保護布在傘衣上的安裝簡圖。

圖4 傘衣保護布簡圖

圖5 傘衣保護布包裹與縫合簡圖

傘衣保護布的主要設計參數有保護布的長度、寬度及縫合方法。

從防止摩擦的角度考慮，傘衣保護布越長，受保護的傘衣就越多。從歷次空投試驗和飛行試驗結果看，傘衣下部很少出現摩擦損傷，從減輕質量與實際需要的角度看，傘衣保護布不必包裹傘衣的全長。綜合考慮后，取保護布的長度為10m，這樣能夠包裹住一半長度的傘衣。

傘衣保護布的寬度根據實際測量折疊好的傘衣的周長得到，為便于最后的縫紉，做適當的放寬。

傘衣保護布最后包裹傘衣后，用縫線將邊緣縫合，形成一個管狀?？p合的方式為隔一段長度縫紉一段，最好不要連續縫紉。試驗表明，在開傘過程中，連續縫紉的縫線會堆積在一起，增加了保護布縫線破壞的難度，縫線不易被破壞，保護布存在不能打開的可能，保護布打不開，傘衣就不能正常充氣，反而會引起傘衣的大面積損傷。圖5所示為傘衣保護布包裹傘衣與縫紉簡圖。

2.2.2 牽頂傘設計

牽頂傘的主要設計參數有面積、傘型、連接帶型式。

牽頂傘面積的大小由其所需要提供的牽引力的大小決定。因為牽頂傘的主要作用是在主傘初始充氣的大部分時間內都要保證對主傘頂部施加足夠的牽引力，防止主傘頂部產生回彈，所以考慮牽頂傘的牽引力只要能夠達到主傘自身質量的2倍左右，就應該能夠達到設計目的[4]。

由于主傘的預充氣時間很短，所以在牽頂傘傘型的選擇上，就要求充氣迅速，為了使主傘得到理想的充氣形狀，牽頂傘還應當具有良好的穩定性。根據以往的設計經驗，在方案階段選取了三種傘型，分別是無肋導向面傘、十字傘和改進十字傘。這三種傘型充氣都比較快，都有比較好的穩定性。為了進一步優化穩定性，每種傘型又選擇了兩種透氣量的傘衣材料，這樣共有6種狀態的牽頂傘。對這6種狀態的牽頂傘進行風洞試驗，對比后發現，低透氣量的無肋導向面傘的穩定性和充氣性俱佳，因此將這種狀態的傘型選為牽頂傘的最終方案。

牽頂傘與主傘頂部之間的連接帶要有足夠的長度，保證在主傘的初始充氣的大部分時間內，牽頂傘位于主傘尾流區以外。因為連接帶長度較長，連接帶及牽頂傘從傘包拉出的時間就較長，在這段時間內，牽頂傘還沒有充氣，還不能提供有效的牽引力，為了在這段時間仍能對主傘頂部施加牽引力，連接帶設計成了剝離帶的結構型式。

2.2.3 改進后的主傘工作過程

改進后的主傘組件的工作過程見圖6所示。

3 改進試驗

3.1 傘衣保護布試驗

傘衣保護布在研制過程中，共進行了風洞試驗、塔架投放試驗和試包試驗3項地面試驗。

1）風洞試驗。傘衣保護布風洞試驗的目的是觀察保護布縫合部的解除過程。試驗中對多種縫合形式的保護布結構進行了試驗，試驗結果表明，連續縫紉的縫合部不能可靠保證保護布的順利打開，必須采用隔一段縫紉一段的結構型式[5]。

2）塔架投放試驗。塔架投放試驗的目的是進一步驗證保護布的工作可靠性。將一頂縮比的主傘吊掛在高100m的塔架上，試驗傘下掛配重，配重自由落體后，牽引試驗傘完成開傘程序。在試驗過程中，觀察傘衣保護布的工作性能。試驗結果表明，采用隔一段縫紉一段的結構形式，傘衣保護布能夠可靠打開。

3）試包試驗。試包試驗的目的是研究傘衣保護布的縫合部在主傘壓力包裝過程中是否會意外斷裂。反復對一頂主傘進行包傘，觀察保護布縫合部的破壞情況。試驗結果表明，壓力包裝過程中，絕大部分的保護布縫合部完好，個別縫合部會出現斷裂，斷裂是在傘衣填實過程和加壓過程中產生的。保護布的個別縫合部斷裂，不影響保護布的功能和性能。

3.2 牽頂傘試驗

牽頂傘在研制過程中進行了風洞試驗、地面汽車拖曳試驗、塔架投放試驗和主傘地面彈射試驗。

3.2.1 風洞試驗

風洞試驗有兩類，一類是靜態的牽頂傘選型試驗，一類是動態的開傘試驗。

牽頂傘的選型試驗對象為6種狀態的備選牽頂傘，試驗在不同風速下進行，測量了牽頂傘的阻力系數，觀察了穩定性。綜合比較后判斷，低透氣量的無肋導向面傘的穩定性和充氣性俱佳，選為最終傘型。圖7所示為風洞試驗中的無肋導向面傘。

圖7 無肋導向面傘在風洞試驗中

牽頂傘在真實狀態下開傘時是處在主傘后部，為驗證有前體干擾情況下，牽頂傘的開傘性能，進行了牽頂傘動態開傘試驗。試驗中研究了牽頂傘距前體距離對牽頂傘的開傘性能的影響，最終確定了連接帶的長度。

3.2.2 地面汽車拖曳試驗

牽頂傘連接帶采用了剝離帶的結構形式。地面汽車拖曳試驗用汽車的牽引力將剝離帶的縫合部剝離，測量了剝離力的大小，驗證了連接帶能夠按照設計程序順利剝開。圖8所示為汽車拖曳試驗示意圖。

圖8 汽車拖曳試驗示意圖

3.2.3塔架投放試驗

塔架投放試驗的目的是驗證牽頂傘的開傘程序的可行性。將試驗用的牽頂傘吊掛在高100m的塔架上，牽頂傘下掛配重，配重自由落體后，迫使牽頂傘完成開傘程序。試驗結果表明牽頂傘開傘程序正常。圖9所示為牽頂傘塔架投放試驗示意圖。

圖9 牽頂傘塔架投放試驗示意圖

3.2.4 主傘地面彈射試驗

主傘地面彈射試驗的目的是綜合驗證各種改進措施之間是否有不良干擾。試驗時，通過火工彈射的方法，給配重50m/s的初始速度，配重牽引主傘迅速完成主傘拉直及牽頂傘開傘過程。試驗結果表明，各項改進措施匹配良好，相互間沒有不良干擾。圖10所示為試驗配重剛剛彈射的瞬間。

圖10 彈射瞬間

3.3 空投試驗

地面試驗后，改進后的主傘參加了30余次的空投試驗，全面驗證了主傘的改進效果?？胀对囼灂r，將返回艙模型從運輸機上空投，按照預定程序完成各級降落傘的開傘。試驗結果表明，牽頂傘和傘衣保護布的改進效果明顯，達到了預期目的。

4 改進效果

4.1 綜合改進效果

空投試驗結果表明，改進后的主傘的破損得到了明顯的減少（比改進前減少70%），各項改進措施均沒有產生負面影響，達到了改進設計目的。

4.2 增加牽頂傘的效果

圖11所示為改進前后主傘的開傘過程對比圖。從圖中看出，改進前，主傘在預充氣過程中，傘頂會出現魚鉤狀的甩動，改進后，傘衣上部的運動受到牽頂傘的制約，傘頂沒有出現勾狀甩動，牽頂傘的使用達到了改進設計目的。

4.3 增加傘衣保護布的效果

空投試驗表明，保護布的存在，對減少傘衣頂部傘衣與下部傘衣、傘衣與傘包之間摩擦起到了有效保護作用，回收后的主傘頂部的摩擦痕跡明顯減少，傘衣保護布的使用達到了改進設計目的。

圖 11 改進前主傘（左）與改進后主傘（右）開傘過程對比

5 結束語

“神舟八號”飛船主傘基本繼承了“神舟七號”主傘的技術狀態，為減少主傘破損，進行了局部改進，主要措施是增加了傘衣保護布和牽頂傘。改進方案經過了充分論證，改進措施也經過了充分的試驗驗證。試驗結果表明，主傘傘衣的局部破損得到了顯著減少，主傘的可靠性得到了提高，達到了預期目的。

[1]李健，王立武.傘頂控制帶的設計、試驗與應用[J].航天返回與遙感，2010，31（2）：10-15.

[2]TheoW K.Parachute Recovery Systems Design Manual[R].AD-A247 666.

[3]Phillip R D.Evolution of The Ringsail Parachute[R].AIAA，A99-30927.

[4]林斌.牽頂傘設計分析[C].中國宇航學會返回與再入專業學術交流會論文集，2006.

[5]唐明章，李健.傘衣保護布風洞試驗研究[C].中國空間技術研究院科技委返回與回收專業組2007年研討會論文集，2007.