基于高兼容和可重復使用的回收艙設計

趙二鑫 董彥芝 趙會光 盧齊躍

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2 北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

返回式衛星是能實現載荷回收的空間實驗衛星。到目前為止，我國已成功發射并回收了25顆返回式衛星[1]。傳統返回式衛星回收艙的設計采用定制化方案，為了滿足不同載荷需求通常采用不同的設計方案，這使得單顆衛星回收艙研制周期長、成本昂貴且載荷回收率低，同時不具有重復使用能力。從當前國內外的航天發展趨勢看，可重復使用技術是世界航天強國爭相研究的重點，其最大的特點在于降低衛星研制成本、縮短衛星研制周期[2]。為降低研發成本，設計具有高兼容性和可重復使用特點的返回式衛星是十分必要的。為滿足商業化需要，國內相關科研機構對開發可重復使用返回式衛星進行了嘗試，開展了多種重復返回平臺的可行性課題研究，本文結合在研工程型號可重復使用返回式衛星（“實踐十九號”衛星）開展回收艙的設計研究。在可重復使用衛星中，僅回收艙具有可重復使用功能，其他艙段不重復使用。為了最大限度提高重復使用比例，需對艙段功能進行優化配置，使回收艙功能最大化[3]。因此，如何設計回收艙成為可重復使用衛星研制的關鍵。

可重復使用返回式衛星新的回收艙采用彈道式返回途徑，基本氣動外形采用我國返回式衛星經典氣動外形等比放大1.43倍，降低后端球底高度，減輕球底質量，可大大提高回收艙的承載能力，新回收艙除滿足彈道式返回所必需的靜穩定裕度外，還要求其著陸沖擊小、可重復使用率高、回收載荷質量大、研制周期短、成本更低，且能夠適應不同空間科學實驗和新技術實驗的載荷需求。

本文對回收艙進行無損回收設計、結構模塊化設計、載荷模塊獨立化和高兼容性設計，能夠實現回收艙金屬結構和艙內電子設備可重復使用，防熱結構不重復使用；回收艙成功著陸回收后，通過更換防熱模塊以及對艙體金屬結構和艙內設備進行檢查維護，可在 4個月內對艙體平臺完成重構達到再次使用發射的狀態；載荷模塊以載荷需求為設計目標，采用標準接口與平臺艙體解耦，既能高兼容各類載荷需求，也可優化、簡化平臺設計，集約平臺資源，從載荷需求的提出到載荷模塊設計、生產、集成總裝和測試僅需 4個月。回收艙平臺重構完成后，載荷模塊整體更換，可在 6個月內再次發射。

1 模塊化劃分

可重復使用衛星回收艙的設計除滿足一般的布局原則與要求外，還要考慮可重復使用的特殊需求：1）回收模塊布局滿足彈道式再入返回氣動外形要求和嚴格的質量特性控制要求；2）基于經濟性考慮在滿足使用要求的前提下，平臺設備盡可能布置在回收艙，盡量提高可重復使用比例；3）設備布局采取載荷、平臺分區布置方式，使載荷模塊與平臺模塊解耦；4）回收艙著陸對回收艙結構、艙內設備和載荷設備的沖擊盡量小；5）能夠快速對回收艙體進行重構，縮短研制周期，降低成本，實現快速發射的目標。

回收艙整體劃分為3大模塊：頭殼模塊、穩定裙模塊和裙底模塊，詳見圖1，總裝時可以分模塊并行總裝，縮短總裝周期[4-7]。各模塊又由不同的功能部分組成，頭殼模塊包含前端頭和后端頭，穩定裙模塊包含載荷模塊、平臺模塊及艙體。前端頭整體為防熱材料，后端頭包括外部防熱單元和金屬結構，穩定裙結構包括外部防熱單元和金屬結構，各模塊防熱單元均可單獨拆卸。

圖1 回收艙模塊劃分示意Fig.1 The module design of reclaim capsule

2 模塊化設計功能分析

2.1 無損化回收設計

可重復使用返回式衛星的重要技術特點是能夠為載荷提供更好的回收著陸環境，并最大化重復使用衛星回收艙結構和內部的平臺設備，無損回收技術是此特點的關鍵保障。無損回收是指確保回收的平臺設備、結構可重復使用，回收載荷無損壞。為實現無損回收，需要將原返回式衛星約 200gn的著陸沖擊環境控制在15gn以內，在著陸過程中需采取緩沖措施，經過多方面的調研和論證，回收艙采用“降落傘+緩沖氣囊”的回收方案。如圖 1所示，降落傘的配置位置與傳統返回式衛星的相同，均在艙體尾部，工作模式也相同，根據新回收艙的整體質量適應性調整降落傘面積[8]，新增的緩沖氣囊裝置布置于回收艙后端頭頂部，在發射及在軌階段氣囊通過包布呈包裝壓縮狀態整體安裝在給定的空間內[9]。

回收艙返回時，在距地面10km高度處打開降落傘，回收艙速度降低；在距地面2km處時，拋掉前端頭，緩沖氣囊充氣打開，對回收艙著陸提供緩沖和保護，降低著陸時的沖擊過載，實現回收艙無損著陸。緩沖氣囊組成示意見圖2。

為校核著陸緩沖過程不同水平速度對緩沖氣囊性能的影響，開展了帶有水平速度的氣囊著陸緩沖仿真分析[10-12]，將新設計的回收艙質量、尺寸等參數作為已知條件，將著陸速度分解為水平速度和豎直速度，設置不同的速度組合作為不同的著陸工況，其中豎直速度 8m/s、水平速度 8m/s工況為極限工況。極限工況下從觸地開始到1s時間內的狀態和應力結果如圖3所示，圖中t為從觸地時刻開始的時間。

參考多工況的分析結果，當著陸存在側向速度時，艙體容易發生側翻[13]，但側向速度對軸向過載及減速情況影響不明顯，軸向緩沖過載在8～9gn之間。仿真計算表明：在氣囊的緩沖作用下，著陸過載小于10gn，滿足小于15gn的需求。完成氣囊詳細設計后，投產緩沖氣囊樣機，開展了高塔投放試驗。

圖2 緩沖氣囊組成及著陸狀態示意Fig.2 The airbag composition status

圖3 極限著陸工況仿真分析云圖Fig.3 Simulation analysis of maximum landing condition

試驗時在回收艙內不同位置放置有5個傳感器，設置不同的投放工況，經多次模擬著陸試驗后，對獲取的數據進行分析，圖4為極限工況下艙內5個測點在三個方向（Z為艙體垂直地面的方向，X和Y為艙體的兩個水平正交方向）的沖擊數據，可以看到經過緩沖后的回收艙軸向過載小于15gn，相比于傳統返回式衛星最大200gn的沖擊過載減小了一個數量級，能夠達到著陸緩沖的目的，實現無損回收目標[14]。

圖4 緩沖氣囊模型著陸沖擊數據Fig.4 The landing impact date

2.2 載荷模塊高兼容設計

回收艙用于載荷安裝的可用區域如圖5中所示，共計3個區域，將載荷區域1和2集成為載荷模塊，模塊與艙體結構獨立，用以安裝載荷設備，平臺模塊上表面安裝有平臺設備，平臺模塊背面為載荷區域3，用于搭載預留使用，回收艙三個載荷區域合計承載能力為500kg，平臺模塊隨艙體配置，不重復設計，載荷模塊根據不同發射任務進行整體更換設計。

載荷模塊可作為獨立的部件從回收艙拆下，其上、下面均為載荷安裝空間。載荷模塊采用蜂窩板結構，設備安裝孔可預埋也可后埋，對于確定載荷，可以提前加工好安裝孔，對于未確定的載荷，可以在后期接口確定后再加工安裝孔。載荷模塊與平臺之間的機、電、熱接口均為獨立接口，該模塊根據載荷設備的需求定制完畢后，支持獨立總裝、測試，無需依附平臺艙。將載荷模塊與平臺的研制解耦，每次發射，僅需對載荷模塊進行重新設計即可[5-6]，這種設計大大的提高了載荷模塊的兼容性。

圖5 回收艙載荷可用空間示意Fig.5 Available space for the reclaim load

實際上，很多生物類和生命類的實驗載荷有特殊要求，有的需要在衛星臨發射前10h內安裝，有的要求恒溫環境。因此載荷模塊設計時，除滿足獨立總裝、測試外，還要求具備塔架上安裝載荷設備的能力；設備布局也采用分塊化設計，正面安裝有源和需塔架安裝的載荷設備，將正面安裝區域劃分為兩個不同的控溫區（如圖6所示），可以控制設備工作溫度在（10±3）℃的范圍內，以滿足對環境溫度有嚴格限制的載荷需求。載荷模塊背面空間劃分為4個完全相互獨立的區域，各區域為一個小型隔艙，大量的無源載荷或搭載載荷均安裝在隔艙內。除載荷獨立模塊外，根據圖5可知，在平臺模塊的背面預留有載荷的安裝接口，用于有效載荷的輔助安裝，該位置安裝接口固定，當需要時可通過轉接方式安裝載荷設備[15-16]。

圖6 回收艙載荷模塊分區示意Fig.6 Load module partition diagram

載荷模塊的獨立設計、總裝和測試，在可重復使用衛星的回收艙上已通過實踐驗證，研制周期合計為4個月左右；平臺的機電熱接口也均滿足使用要求，可承載500kg有效載荷。

2.3 快速重構設計

回收艙需重復使用，通過功能優化配置將回收艙功能、價值最大化，既能控制回收模塊平臺設備占比規模，又能最大限度提高高價值產品重復使用的數量[17]。回收艙防熱單元與艙體金屬結構之間采用可拆卸、可更換的設計方式，如圖7所示。艙體回收后，防熱單元整體更換，可重復使用的主要是艙體金屬結構和平臺設備。無損設計可以有效降低著陸對回收艙金屬結構和平臺電子設備的沖擊，通過任務分析識別出金屬結構重復使用的主要影響因素，采用建立金屬主結構損傷程度與載荷作用關系模型的方式，將不同載荷對結構損傷規律各異帶來的評價方法繁多且無法反應耦合關系的問題，統一至采用結構損傷程度來表征，進一步通過損傷程度來表征剩余性能，實現衛星全任務段不同載荷作用下結構壽命的評估[18-19]。經過仿真分析，衛星金屬結構滿足重復使用15次要求。對平臺電子設備的使用環境進行評估，設備在力學、熱和輻照方面均滿足重復使用15次要求。回收艙配套的平臺設備重復使用率為80%。

圖7 防熱單元可拆卸設計示意Fig.7 Replaceable design of heat-proof module

回收艙返回后需要通過檢測、測試、試驗、更換等維護措施，確保回收艙可重復使用，主要包括：1）拆除防熱單元、火工品等消耗類產品；2）使用外形掃描和數據采集、無損檢測等手段，檢查金屬結構；3）低量級掃頻試驗，確認力學性能；4）100h健康狀態測試，確認設備電性能；5）安裝新防熱單元、火工品，具備重用條件，完成平臺重構；6）載荷模塊并行開展設計、總裝和測試；7）載荷模塊與星體對接，驗證機電熱接口，具備發射狀態。

回收艙的可重復使用和模塊化設計，使其在回收后的4個月內即可完成艙體平臺的維護重構，達到再次使用的要求。

2.4 對質量特性影響

回收艙彈道式返回要求艙體橫向質心位置相對回轉軸線距離小于1mm，縱向質心在壓心之前，并盡量靠近前端頭[20]，上述設計對回收艙質量特性控制有以下優勢：

1）緩沖氣囊裝置整體作為一個獨立的模塊，安裝在回收艙最前端，其外形與前端頭內型面賦形設計，該設計最大程度地利用了緩沖氣囊的質量，兼具配重功能，將回收艙質心前移；

2）載荷模塊與艙體獨立，其安裝位置在穩定裙上部，有利于最大限度的控制回收艙的質量特性，艙體設計完成后，載荷模塊質量特性明確，在進行載荷布局配置時，僅需單獨控制載荷模塊質量特性；

3）防熱單元與金屬結構可拆卸設計，前端頭防熱設計厚度為可變厚度，大小可根據回收艙質量進行調整以保證艙體質心滿足壓心要求，后端頭防熱和穩定裙防熱無需重新設計；

4）回收艙艙體上和載荷模塊上均預留有配重安裝孔，可根據安裝載荷的具體情況通過增減配重塊來調整整個艙體的質心位置。

綜上，新回收艙已順利通過質量特性測試，通過上述模塊化設計和配置，無需實施配重措施即滿足質量特性要求。

3 結束語

可重復使用返回式商業化衛星，要求其具有對載荷適應性強、項目研制成本低、開發周期短和可快速發射的能力，本文對其回收艙的設計問題進行了深入研究，給出了具有緩沖著陸功能、載荷模塊與平臺模塊獨立、可快速實現艙體重構的回收艙設計方案，該回收艙已完成研制，并經過總裝和試驗驗證，結果表明：

1）等比放大回收艙，通過優化設備配置和構型設計，回收載荷能力大于500kg，回收載荷質量占比由28%提高到40.6%，無需實施配重即滿足質量特性要求，說明文中的設計手段有利于回收艙質量特性控制；

2）通過增加緩沖氣囊設計能夠減小著陸沖擊，沖擊過載小于 15gn，有利于對艙體結構、平臺設備和返回載荷的保護，說明回收艙采用的無損回收方式有效；

3）載荷模塊的獨立設計，使得回收艙能夠適應不同載荷的不同需求，提高對載荷設備的兼容性，可并行開展設計、總裝和測試，4個月即可完成模塊研制；

4）回收艙返回后 4個月內能夠完成其艙體結構的平臺重構，回收艙平臺電子設備可重復使用率為80%，同步載荷模塊的研制，可具備6個月后再次發射的能力，縮短研制周期并降低研制成本。

目前該設計已應用于工程實踐，后續針對載荷模塊如何適應大體積、低密度設備的問題進行更深入的研究。