飛船返回艙著水與著陸工況沖擊兼容性設計分析

王宇翔，杜匯良，馬春生，張金換

(清華大學 汽車工程系，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

返回艙返回時著水與著陸是載人航天的最后階段，也是關鍵技術，其成功與否直接關系整個載人航天任務的成敗［1］。返回艙在著陸或著水的瞬間會產生較大的沖擊力［2］，會對返回艙內的宇航員及設備造成較大的影響，如保護不當極易造成損傷。由于返回艙進入大氣層時存在黑障，在返回過程中可能偏離預定地點從而導致回收方式的變化，原來相關緩沖保護裝置的設計工況將發生改變，航天員及儀器的安全將面臨嚴重考驗。因此，分析著水與著陸沖擊響應特點及影響因素，研究兩者之間的兼容性，提出滿足保護要求的返回艙著水與著陸控制和設計原則具有重要的意義。

本文選取返回艙的著水與著陸最大沖擊加速度值作為分析和比較的目標，利用試驗設計對著陸沖擊影響因素進行顯著性分析，并結合已有的研究成果，從多方面分析著水與著陸沖擊兼容性，為航天器返回艙的后續設計提供參考。

1 返回艙著陸工況沖擊特性分析

基于已有的神舟飛船著陸模型［3］，使用LS-DYNA軟件進行模擬計算［4］，選用飛船返回艙底部邊緣均勻分布的四點為采樣點，以四個采樣點的平均著陸最大沖擊加速度值作為分析和比對的目標值(以下簡稱底部沖擊加速度峰值)。已知影響艙體著陸沖擊響應的因素主要有垂直速度、水平速度、俯仰角、側傾角、滾動角等5個。根據試驗設計［5］，模擬計算試驗并得到分析結果如下:

垂直速度為高度顯著因素;水平速度、俯仰角、側傾角均為顯著影響因素，且水平速度顯著程度高于俯仰角及側傾角。

前文中確定了著陸模型5個影響因素中較為顯著的2個(垂直速度、水平速度)，對這兩個因素的沖擊特點進行深入分析。

(1)著陸工況單因子沖擊響應特點

計算分析水平著陸速度為0 m/s，不同垂直速度下底部沖擊加速度峰值情況。繪制于圖1。可見，垂直加速度及水平加速度峰值均與垂直著陸速度呈線性關系。

圖1 著陸工況垂直速度響應特點Fig.1 Vertical velocity response characteristics of landing impact

對垂直著陸速度為 7.5 m/s，不同水平速度下底部沖擊加速度進行計算，由結果可繪制圖2。可見，最大水平加速度與水平著陸速度呈線性關系。

(2)著陸工況速度響應面及擬合曲面

由此上知，著陸工況下最大垂直加速度值與垂直速度呈線性關系，最大水平加速度值與垂直速度、水平速度呈線性關系。應用SPSS統計軟件，采用逐步回歸法，分別擬合最大垂直加速度值與垂直速度的線性方程以及最大水平加速度與垂直速度、水平速度的二元線性方程。合成加速度與垂直加速度、水平加速度滿足如下公式:

圖2 著陸工況水平速度響應特點Fig.2 Horizontal velocity response characteristics of landing impact

圖3 著陸工況速度響應面及擬合曲面對比圖Fig.3 Velocity response surface and fitting surface of landing impact

將已求得的最大垂直加速度擬合方程及最大水平加速度擬合方程代入式(1)，得到合成加速度與垂直著陸速度、水平著陸速度的擬合公式，做出速度響應擬合曲面。同時，固定其余3個因素，計算不同垂直速度及水平速度工況，底部沖擊加速度峰值結果見圖3。

2 返回艙著水與著陸兼容性分析

通過上述分析，可知著陸工況下垂直速度及水平速度是影響合成加速度值的最顯著因素。張虛懷等［6］的研究成果表明，對于著水模型，垂直著水速度是影響合成加速度值的最顯著因素。因此，本文選用垂直速度及水平速度作為分析返回艙著水與著陸兼容性的影響因素。

2.1 同工況下著水與著陸速度響應面比較

利用已有的神舟飛船著陸模型及張虛懷等［7］建立的神舟飛船著水模型，固定其余3個因素，可繪制相同工況下(垂直速度與水平速度分別相同)著水與著陸模型底部沖擊加速度峰值響應面如圖4，著陸模型速度響應面位于著水模型速度響應面上方，說明在相同的工況點，著陸模型最大合成加速度值高于著水模型最大合成加速度值，回收沖擊更大。因此，同種工況下選擇著水回收方式有利于降低沖擊加速度。

圖4 著水與著陸工況速度響應面Fig.4 Velocity response surface of water and landing impact

2.2 等效工況下著水與著陸兼容性分析

正常情況下，返回艙著陸與著水工況，由于反推發動機等主動緩沖裝置作用的不同，沖擊前垂直速度也會不同。有關文獻［7］顯示，垂直著陸速度一般在0 m/s－6 m/s之間，返回艙著水時，由于部分主動緩沖裝置的設計工況發生變化，垂直著水速度一般在4 m/s－10 m/s之間，此速度范圍為著水著陸典型工況。前文已得到返回艙著陸的速度響應曲面擬合公式，張虛懷等［8］已得到返回艙著水速度響應曲面擬合公式，為分析正常情況下二者的沖擊兼容性，引入“等效工況”概念:將0 m/s－6 m/s垂直著陸速度值和4 m/s－10 m/s垂直著水速度值進行歸一化處理，得到變化范圍為［0，1］的等效垂直速度區間。采用等效垂直速度坐標，繪制圖5。

圖5(a)為著水與著陸模型在等效工況下的擬合曲面，可見兩者存在一定范圍的交叉:當等效垂直速度小于0.27或大于0.73時，著陸擬合曲面位于著水擬合曲面上方，此時著陸沖擊加速度值較大;在等效垂直速度位于0.27至0.73之間，水平速度小于5.39 m/s的部分區域，著陸擬合曲面位于著水擬合曲面下方，此時著水模型沖擊加速度值較大;當水平速度大于5.39 m/s時，著陸擬合曲面始終位于著水擬合曲面上方，此時著陸沖擊加速度值較大。

圖5 著水與著陸速度響應擬合面及交線投影Fig.5 Velocity response fitting surface and cross-line projection of water and landing impact

圖5中(b)為著水與著陸速度響應擬合曲面的交線在“垂直速度－水平速度”平面的投影。該投影成弧形，在交線與縱坐標軸包圍成的A區域內，著陸沖擊加速度值小于著水沖擊加速度值;在交線外側的B區域內，著陸沖擊加速度值大于著水沖擊加速度值。

2.3 不同沖擊風險下著水與著陸兼容性分析

根據不同沖擊風險下的航天員三向(頭盆向、胸背向、側向)沖擊耐受度指標［9－10］，通過計算得到地面坐標系下不同風險對應的合成沖擊加速度耐受限度值，如表1所示:

表1 不同風險對應合成沖擊加速度耐受限度值表Tab.1 Tolerance limit value of resultant impact acceleration under different degree of injury risk

通過著水與著陸沖擊擬合曲面，可得到不同工況下著水與著陸沖擊的底部合成加速度峰值，與表1比較可展開進一步分析。

(1)不同沖擊風險對應著陸工況分析

由不同風險對應的合成加速度沖擊耐限值平面及著陸速度響應擬合曲面可繪制圖6。

從圖6(a)可見，Ⅰ級風險合成加速度耐限平面將著陸擬合曲面分成兩部分:著陸擬合曲面位于平面以下的部分，其沖擊加速度值低于Ⅰ級風險要求;著陸擬合曲面位于平面以上的部分，沖擊加速度值高于Ⅰ級風險要求。圖6(b)為Ⅰ級風險合成加速度耐限平面與著陸擬合曲面的交線在“垂直速度－水平速度”平面的投影，該投影為弧線。弧線左下方的區域A內包含的“垂直速度－水平速度”組合滿足Ⅰ級風險的要求;弧線右上方的區域B內包含的工況組合風險高于Ⅰ級風險。

圖6 不同沖擊風險對應著陸工況Fig.6 Different degree of injury risk corresponds to landing impact

同理，從圖6(c)與圖6(e)中可見，Ⅱ級與Ⅲ級風險合成加速度耐限平面將著陸擬合曲面分成兩部分。圖6(d)與圖6(f)圖為Ⅱ級與Ⅲ級風險平面與著陸擬合曲面的交線在“垂直速度－水平速度”平面的投影，投影下方的區域A內包含的“垂直速度－水平速度”工況組合所產生的合成加速度值小于等于Ⅱ級與Ⅲ級風險沖擊耐限;投影上方的區域B內包含的工況組合所產生的合成加速度值高于Ⅱ級與Ⅲ級風險標準，著陸沖擊傷害風險更高。

除合成加速度值滿足人體耐受度要求外，著陸時還需保證水平沖擊加速度值滿足人體側向耐受度要求。前文已得到的著陸模型水平加速度值與垂直速度－水平速度擬合公式，可繪制圖7。

在圖7(a)中，水平加速度約束曲線左側區域滿足Ⅰ級風險水平沖擊耐受要求，與合成加速度約束曲線相交后形成區域A1，A1內各“垂直速度－水平速度”組合工況點所產生的沖擊加速度均小于等于Ⅰ級風險沖擊耐限，滿足Ⅰ級風險合成與水平沖擊加速度耐受要求。同理，在圖7(b)與圖7(c)中，對應的水平加速度約束曲線與合成加速度約束曲線相交后分別形成區域A2/A3，A2/A3所包含的“垂直速度－水平速度”工況組合所產生的沖擊加速度值小于等于Ⅱ級與Ⅲ級風險沖擊耐限。

圖7 不同沖擊風險對應著陸沖擊約束曲線Fig.7 Different degree of injury risk corresponds to landing impact constraint curve

將Ⅰ級、Ⅱ級及Ⅲ級(以下簡稱三級)風險對應的約束曲線繪制在一起如圖7(d)，可見三條約束曲線將圖7(d)劃分成A、B、C、D四個區域。A區域內的著陸工況同時滿足Ⅰ級風險對于合成與水平沖擊加速度的耐受要求，面臨Ⅰ級沖擊風險;B區域內的工況為Ⅱ級風險工況，以此區域內工況著陸將面臨Ⅱ級沖擊風險;C區域內的工況為Ⅲ級風險工況，以此區域內工況著陸將面臨Ⅲ級沖擊風險;D區域內工況將面臨更高的沖擊風險，應避免以該區域工況著陸。

(2)不同沖擊風險對應著水工況分析

由三級風險對應的合成加速度耐限平面及著水速度響應擬合曲面［9］可繪制圖8。

圖8 不同沖擊風險對應著水沖擊約束曲線Fig.8 Different degree of injury risk corresponds to water impact constraint curve

由圖8(a)～圖8(c)可見，Ⅰ級/Ⅱ級/Ⅲ級風險合成加速度耐限平面分別將著水擬合曲面分成兩部分，著水擬合曲面位于三級風險平面以下的部分，其沖擊加速度低于相應風險的沖擊耐限;著水擬合曲面位于三級風險平面以上的部分，其沖擊加速度高于對應風險的沖擊耐限。

圖9 三級風險著水與著陸約束曲線簇Fig.9 Water and landing impact constraint cluster under different degree of injury risk

將三級風險平面與著水擬合曲面的三條交線投影到“垂直速度－水平速度”平面上，得到著水沖擊在三級風險下的約束曲線如圖8(d)所示。三條約束曲線將該圖劃分為A、B、C、D四個區域。A區域內的著水工況為Ⅰ級風險工況，所產生的沖擊加速度小于等于Ⅰ級風險沖擊耐限;B區域內的著水工況為Ⅱ級風險，所產生的沖擊加速度小于等于Ⅱ級風險沖擊耐限;C區域內的工況為Ⅲ級風險工況，所產生的沖擊加速度小于等于Ⅲ級風險沖擊耐限;D區域內工況所產生的沖擊加速度高于Ⅲ級風險沖擊耐限，應避免以該區域工況著水。

(3)三級沖擊風險著水與著陸兼容性分析

前文分別得到著水與著陸沖擊滿足三級風險沖擊耐限的約束曲線。將三級沖擊風險下著水與著陸沖擊約束曲線繪制在一起，可得圖9。

由圖9可得，在相同的沖擊風險下，著水約束曲線始終位于著陸約束曲線的上方，即在相同的加速度耐限值下，著水回收可以耐受更大的垂直沖擊速度，且著水回收所產生的沖擊加速度受水平速度的影響較小［9］，可得著水回收滿足相同沖擊風險耐限要求的“垂直速度－水平速度”組合可能性更多。

另外，圖9顯示了面臨不同的沖擊風險時，著水與著陸回收所能耐受的不同工況組合。同時，利用圖9可通過選擇返回艙回收方式及沖擊工況找出對應的沖擊風險，為返回艙回收方式的選擇提供判據。

值得注意的是，Ⅲ級風險著陸約束曲線與Ⅰ級風險著水約束曲線之間存在區域D。對區域D內包含的“垂直速度－水平速度”工況組合，如采取著陸回收方式，其產生的沖擊加速度值將會超過Ⅲ級風險加速度耐限值，面臨風險較大;如采用著水回收方式，由于其位于Ⅰ級風險著水約束曲線以下，沖擊時產生的加速度值低于Ⅰ級風險加速度耐限值，面臨風險較小。這一結論為飛船返回艙回收提供了一種安全預案:當原定采取著陸方式回收的飛船返回艙因特殊情況將以超過安全范圍的工況著陸時，如臨時變為著水回收，仍有可能保證安全。

3 結論

本文對著陸模型進行了模擬分析，得到如下結論:

(1)垂直速度為高度顯著因素;水平速度、俯仰角、側傾角均為顯著影響因素，且水平速度顯著程度高于俯仰角及側傾角。同時，通過對垂直著陸速度和水平著陸速度等進行單因子及雙因子沖擊特性分析，得到速度響應曲面。單因子沖擊特性中，垂直速度對垂直、水平沖擊及合成加速度影響均為線性，水平速度對于水平沖擊加速度影響為線性。

(2)本文從相同工況、正常等效工況、相同沖擊傷害風險等方面分析著水與著陸沖擊兼容性。結果表明，在相同工況下，著陸沖擊所產生的加速度值較大，著水沖擊更有利于乘員保護;在正常等效工況下，著水與著陸沖擊曲面存在交叉，可靈活選取回收方式;在相同的沖擊傷害風險下，著水沖擊可耐受的垂直沖擊速度更高，滿足要求的工況組合可能性更多。

(3)利用著水與著陸速度響應擬合曲面得到不同工況下著水與著陸沖擊工況的約束曲線，繪成約束曲線圖。該圖顯示了不同回收方式下滿足不同沖擊風險要求的工況組合，并可通過選擇回收方式及工況查找到對應的沖擊風險，為返回艙回收方式的選擇提供判據。

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