航天器海上傘降回收技術發展與展望

何青松 王立武 王寒冰 王廣興 房冠輝

(1 北京空間機電研究所,北京 100094)

(2 中國航天科技集團有限公司航天進入、減速與著陸技術實驗室,北京 100094)

隨著我國載人航天工程的不斷發展,對于部分任務模式,需要考慮海上回收情況,可以提高飛船在軌階段的應急返回靈活性。同時,近年來隨著我國海南文昌航天發射中心投入使用,對航天器海上回收技術的需求也應運而生。此外,運載火箭子級、助推器以及整流罩的海上回收,一方面可以保證分離體的下落軌跡,確保落點安全,另一方面可以實現運載火箭可重復使用,降低航天發射成本。因此,發展海上回收技術對我國航天事業的發展具有重要意義。

海上回收又可分為海上平臺回收和海上傘降回收,海上平臺回收是指飛行器完成任務后通過自身攜帶的控制系統和動力裝置,按照設定的軌跡自主飛行到海上平臺,如美國太空探索技術公司(SpaceX)研制的法爾肯9重復使用火箭子級回收[1]。海上傘降回收是通過降落傘使航天器減速到一定速度,然后航天器直接濺落到海面上,然后通過海上搜救船和直升機找尋并回收,如美國航天飛機助推器以及阿波羅飛船等的回收方式[2-3]。我國已經完成神舟飛船和返回式衛星的陸地回收,基于陸地回收技術中已有的降落傘減速技術發展海上傘降回收技術是實現航天器海上回收的較好的選擇。而且,海上傘降回收的可靠性高、運載能力損失低,長期以來世界各航天大國一直在開展相關研究。

相比于陸地回收,海上傘降回收有如下優勢[4]:著水沖擊力相對于著陸沖擊力更小,航天器不用安裝著陸緩沖系統,降低了航天器的質量;海上傘降回收能夠避免陸地上存在的溝壑以及樹木等天然危險物,有利于航天器的安全回收,還能避免降落到人口密集區域,造成對人員和建筑物的傷害,導致不必要的經濟損失;海面的物理特性變化較小,海區選擇相對容易,增強了對航天器對多種傾角軌道的適應性;海域相比于陸地更加寬闊,飛船在軌應急返回可供選擇的著陸區域更大,增加了在軌應急返回的靈活度。

開展海上傘降回收面臨的問題非常多,包括航天器的軌道設計、測控網絡、控制系統、以及構建海上著陸場和海上搜救系統等,這些問題對于航天器海上傘降回收的順利開展都十分重要。相比于我國已經掌握的陸上回收技術而言,海上傘降回收最大的不同還是在于降落傘開傘后面臨的氣動減速以及海上搜救等問題,因此本文將重點對這些問題進行介紹。

本文就國外航天器海上傘降回收情況進行了介紹,分析了海上傘降回收的關鍵環節,對我國開展海上傘降回收的研究基礎進行了介紹,并對開展海上傘降回收進行了研究展望,相關內容可為我國進行海上傘降回收研究提供參考。

1 國外海上傘降回收進展

目前,采用海上傘降回收最多的國家是美國,已經成功完成了多種型號飛船返回艙、航天飛機助推器以及整流罩的海上傘降回收,還對運載火箭子級海上傘降回收進行了系統研究。除美國外,歐空局和俄羅斯合作進行了阿里安5號(Ariane-5)助推器的海上傘降回收,印度成功完成了太空艙返回試驗船(SRE)的海上傘降回收。

1.1 返回艙海上傘降回收

美國采用海上傘降回收成功進行了水星號(Mercury)、雙子座(Gemini)以及阿波羅(Apollo)3個系列飛船的返回艙回收[5]。美國第1個載人航天計劃是水星計劃,共實施6次載人發射,飛船返回艙采用單傘減速回收的方式,飛船最終以8.5 m/s的速度著水[6]。雙子座飛船外形與水星號飛船相似,共進行了10次載人飛行,飛船返回艙的降落傘著陸系統基本上沿用了水星號的方案。其中,雙子座降落傘回收系統共進行了67次試驗,水星號降落傘回收系統進行了多達152次試驗[7]。雙子座降落傘回收系統在索爾頓湖上進行的試驗如圖1所示[8]。

圖1 雙子座降落傘回收系統實驗Fig.1 Experiment of Gemini parachute system

阿波羅降落傘回收系統的設計是基于水星號和雙子座的經驗,由于技術復雜性的增加,阿波羅計劃仍進行了多達147次試驗[7]。阿波羅飛船回收系統的工作過程如圖2所示,阿波羅飛船采用了三群傘系統進行減速[9]。

圖2 阿波羅飛船回收系統工作過程Fig.2 Working process of Apollo recovery system

美國近年來研制的獵戶座飛船(Orion)返回艙在設計上一定程度上繼承了阿波羅飛船的設計,獵戶座返回艙質量為9237 kg,是阿波羅飛船的1.6倍[10]。相對于阿波羅飛船,獵戶座飛船采用的降落傘更大,提出的技術指標更高。美國SpaceX 公司研制的龍系列飛船(Dragon)包括龍一和龍二,其中貨運飛船龍一采用了海上傘降回收。飛船的減速傘和主傘都布置在返回艙的下部,減小了返回艙上部空間布局難度,降低了返回艙的重心高度[11]。

印度在2007 年發射了太空艙返回試驗船(SRE-1),它是印度第一個返回式航天器。試驗船在太空飛行12天后成功濺落在孟加拉海面上,由印度海岸警衛隊和印度海軍出動艦只、固定翼飛機和直升機成功回收了返回試驗船[12]。太空艙返回試驗船模型在海面作漂浮試驗如圖3所示[12]。

圖3 太空艙返回試驗船模型海面漂浮試驗Fig.3 Space capsule module floating test

1.2 火箭助推器海上傘降回收

航天飛機的助推器的再入質量為81 600 kg,是目前被降落傘回收最重的載荷[13-14]。航天飛機助推器采用的三具主傘回收,以23～27 m/s的速度濺落在海面上,航天飛機助推器濺落過程如圖4所示。根據任務需求,航天飛機助推器降落傘狀態進行了兩次較大更改,單具主傘面積最大時達1320 m2,質量達980 kg[14]。

圖4 航天飛機助推器濺落過程Fig.4 Process of space shuttle booster splashdown

戰神火箭(Ares)是星座計劃中的運載火箭,戰神Ⅴ火箭助推器和戰神Ⅰ火箭第一級回收系統的設計基本相同,兩者回收方案也基本相同。戰神Ⅰ火箭的第一級設計為可回收重復使用,其回收系統方案繼承了航天飛機助推器的回收系統方案。截止2009年10月,戰神Ⅰ火箭降落傘回收系統開展了多次的火箭橇試驗和空投試驗,降落傘系統得到了有效的驗證[14]。但是美國星座計劃取消后,戰神火箭的研制也終止了。

20世紀80年代中期,歐空局和俄羅斯合作開始研究阿里安5號的固體火箭助推器的回收技術。歐洲阿里安5號助推器的降落傘回收系統安裝在助推器的前部和頭錐內,通過降落傘系統減速,助推器最終濺落海面的速度低于27 m/s[15]。1996年6月,阿里安5號運載火箭的首次發射試驗中由于火箭故障,助推器的傘降回收系統未能得到驗證。1998年10月,傘降系統成功回收一個助推器,另一個助推器再入過程中被折斷,未能回收[16]。

1.3 整流罩海上傘降回收

2019年6月,在獵鷹重型火箭(Falcon Heavy)的第3次發射中,SpaceX 的新型網捕船成功捕獲到半個整流罩,完成航天史上第一次對整流罩的回收[17-18]。火箭整流罩在100 km 左右高空分離后通過冷氮氣噴射調整姿態,以半弧形朝下的姿勢墜入底層大氣。下降到大約15 km 的高空處,減速傘打開穩定整流罩下落。不同于常用的海上傘降回收方式,在下降的最后階段,SpaceX 采用翼傘對整流罩進行可控回收,翼傘面積約為280 m2[17]。為了避免整流罩被海水腐蝕導致無法工作,SpaceX 在海上部署了大型捕捉船,捕捉船伸出4個可伸縮大臂支撐大網,在整流罩落入大海之前將整流罩接住,如圖5所示[19]。

圖5 整流罩捕獲Fig.5 Fairing capture

相比于常用的海上傘降回收方案,Space X 的整流罩回收方案不需要對整流罩進行海上打撈,同時整流罩沒有被海水侵蝕,能夠有效縮短翻修時間,降低翻修費用。由于需要將整流罩精準的落入網捕船中,這種方案技術更加復雜,主要涉及到翼傘精確回收系統的建立。在翼傘理論研究方面,難點在于翼傘模型建立、航跡規劃、歸航控制算法等研究。在實際應用方面,需要針對海上環境開展多次空投試驗,海上空投試驗還需要考慮高海況情況,這無疑增加了海上空投試驗的難度。

2 海上傘降回收關鍵環節分析

2.1 海上傘降回收技術體系

目前,通過海上傘降回收主要完成了助推器、整流罩以及飛船返回艙的回收,為這3種航天器海上傘降回收過程的如圖6 所示。由于回收方案的不同,是否采用引導傘以及各階段采用的降落傘個數也存在差異。當航天器濺落在海面上后,需要進行姿態調整以便后續回收工作的開展。搜救人員通過航天器發出的標位信息確定航天器的濺落地點,然后迅速靠近開展救援回收工作。返回艙的救援回收過程中采用了救援直升機和搜救船,助推器的回收中通常采用搜救船進行拖運,而整流罩則通過網捕船進行捕獲。

圖6 海上傘降回收過程簡圖Fig.6 Sketch of process on parachute offshore recovery

雖然助推器、整流罩和飛船返回艙成功回收的方案存在一些差異,但總體上可將航天器海上傘降回收技術歸納為降落傘對航天器進行氣動減速的降落傘氣動減速技術;航天器濺落海面涉及到的航天器著水沖擊技術;航天器濺落海面后對航天器姿態進行調整以便救援回收工作開展的航天器姿態調整技術;航天器發出位置信號以便搜救人員盡早發現航天器的海上標位技術;搜救人員對航天員進行救援以及對航天器各部件進行回收的海上救援回收技術。

2.2 降落傘氣動減速

降落傘氣動減速的主要作用是降低航天器的下降速度,穩定航天器的運動姿態,保證航天器按照要求的姿態和速度濺落在海面上。研究表明,返回艙的入水姿態和入水速度對最大加速的影響十分顯著[20-21]。因此,降落傘以及航天器吊掛方式等的設計對航天器能否安全著水十分重要。我國在神舟系列飛船和返回式衛星的陸地回收中已經積累了豐富的降落傘氣動減速技術的經驗[22],可為我國海上傘降回收提供有力的技術支撐。目前航天器質量都比較大,普遍采用了群傘系統進行氣動減速,另外采用群傘系統還可以降低災難性事故的概率。阿波羅15號返回艙返回地球時,其中一具主傘失效,另外兩具主傘正常工作仍保證了返回艙安全著水,如圖7所示[9]。但是群傘系統面臨的技術難點多,存在開傘不同步、開傘過程過載較大等問題。

圖7 阿波羅15號一具主傘失效Fig.7 One of Apollo 15 main parachutes failure

2.3 航天器著水沖擊

陸地回收除利用降落傘減速外,還需要增加氣囊或反推發動機等著陸緩沖裝置,而海上回收通常不采用著陸緩沖裝置,而是直接濺落在海面上,這就涉及到航天器著水沖擊的研究。航天器著水沖擊問題的研究主要是為了考察著水過程中沖擊載荷的大小,從而對航天器著水速度、姿態以及結構強度設計等提出指標要求,保證航天器能夠安全濺落在海面上。

著水沖擊問題的研究主要分為試驗研究和數值模擬研究。按照科學充分的試驗方案開展海上濺落試驗研究,可以獲得真實準確的濺落沖擊數據,獵戶座返回艙模型著水沖擊試驗情況如圖8 所示[23]。然而,試驗研究需要制造樣機或模型,而且實驗中樣機或模型容易被摔壞,導致試驗成本高、周期長。數值模擬彌補了試驗研究的不足,仿真模型可以根據設計快速更改,可以對惡劣工況做出準確預測,有效減少試驗次數[24]。航天器著水沖擊是流固耦合研究領域里比較復雜的問題,采用的主要算法包括基于網格的任意拉格朗日歐拉(ALE)法和無網格的光滑粒子動力學(SPH)方法。其中SPH 方法由于不采用網格,沒有網格畸變問題,在處理著水沖擊這種非線性大變形問題上有較大優勢[25]。文獻[26]采用SPH 方法對返回艙入水后姿態隨時間變化進行了研究,證明了SPH 方法能夠準確預測飛船入水過程中水和飛船相互作用的各個參數。

圖8 獵戶座返回艙模型著水沖擊實驗Fig.8 Splashdown impacting experiment of Orion capsule

2.4 航天器姿態調整

航天器姿態調整是為了使航天器濺落在海面上后能夠保持合適的姿態,從而能夠保證通信通風系統等正常工作、航天員能夠處在舒適的姿態以及后續搜救工作的順利開展等。

飛船返回艙入水后可能呈現兩種狀態,頭部朝上或頭部朝下。如果頭部向下,通風系統將不工作,通信功能因前艙天線在水下也部分消失,航天員在返回艙內也將處在一個非常不舒服的姿勢。因此需要在返回艙頂部安裝扶正氣囊,通過氣囊的浮力將返回艙扶正,使返回艙在水中能夠保持頭部朝上的姿態[27]。如果扶正氣囊失效,沒有能夠將返回艙扶正,則需要潛水員將繩子與返回艙頭部的回收鉤連接,然后通過直升飛機將返回艙拉動扶正。阿波羅飛船返回艙的扶正氣囊和回收鉤如圖9所示。[9]

圖9 阿波羅飛船返回艙的扶正氣囊和回收鉤Fig.9 Uprighting balloons and recovery hook of Apollo spaceship

火箭助推器入水后若保持豎直狀態漂浮于水面,則不便于回收船進行拖運,航天飛機助推器豎直漂浮于海面如圖10所示[28]。為了使助推器變為水平漂浮狀態,潛水員需潛入水中將充氣設備放入助推器殼體內,然后向殼體內充氣,殼體內的海水被排出后,助推器變為水平漂浮。

圖10 航天飛機助推器豎直漂浮于海面Fig.10 Space shuttle booster floats vertically on the sea

2.5 海上標位

海上標位的主要作用是向回收區的搜索人員提供航天器著水后的位置和方位信息,讓搜救人員快速確定航天器位置,進而能夠及時靠近航天器開展搜救工作。標位裝置一般以無線電標位為主,輔以其他標位手段,在海上主要的輔助標位裝置是海水染色劑或發煙罐等。無線電標位主要用于遠距離搜索定位,海水染色劑或發煙罐等主要用于近距離目視搜索定位。

美國在阿波羅系列載人飛船返回艙的定位跟蹤中,主要采用的測控通信網絡包括地面站,回收船和地面通信網絡,測量數據傳輸到任務控制中心并進行數據處理,以此來實現對返回艙的定位[29]。美國和俄羅斯載人飛船返回艙定位中所利用的另一個方案是全球衛星搜救系統,該系統利用衛星對地球上求救信號進行搜索救援。全球衛星搜救系統的極軌衛星接收用戶遇險示位標發出的信標信號,經處理后將結果發送到衛星當前可見的本地用戶接收終端。處理結果在下行轉發的同時被存儲在衛星上,并在衛星運行過程中不斷對地面廣播,從而使全球所有跟蹤此顆衛星的本地用戶接收端都可以得到求救信息[29-30]。

輔助標位主要為搜救人員提供視覺搜救指示標志,從而使搜救人員能夠快速發現搜救目標,節約搜救時間。海水染色劑以及發煙罐等輔助標位裝置都只能在一定時限和一定范圍內才能提供較為明顯的標位信息,對于海況復雜的環境,標位信息的時效性更短甚至無法使用。因此,輔助標位裝置一定要注意開啟時間,避免在搜救人員發現之前就失效。此外,海上回收區應設置主備著陸海區,選擇海況較好的海區著陸,不僅有利于輔助標位裝置發揮作用,也降低了后續海上救援回收的開展難度。

2.6 海上救援回收

海上救援回收主要是搜救人員靠近濺落在海上的航天器,及時救助航天員并提供醫監醫保醫療救護,以及對航天器以及降落傘組件等進行回收。海上搜救力量主要依靠海、空、天緊密結合的方式構成綜合搜救體系。在海上配置救撈船,承擔近距離搜救和打撈任務;在不同高度布置數架直升機,形成局部詳查和全區普查相結合的空中搜救體系;使用衛星系統對著陸海區以及著陸海區以外的區域實施大范圍全時段監控,及時獲取求救信息[4]。

海上救援回收工作主要由救援作業直升機投放潛水員和專用設備完成,同時還需要提供一定的備份救援作業直升機以及相應的潛水員和專用設備。海上救援作業直升機對阿波羅飛船進行救援回收如圖11所示[9]。除了救援作業直升機以外,必要時還需配備搜索指揮直升機、醫療救護直升機、醫監醫保直升機以及支援直升機等。

圖11 救援作業直升機對阿波羅飛船進行救援回收Fig.11 Helicopter rescues and recovers Apollo spacecraft

除了直升機,打撈船是海上救援回收不可或缺的一部分,船上應配備搜索定位設備、醫療設備及專用艙室、通信指揮設備等,這些設備和艙室的布局要合理,比如醫療艙室應盡量靠近前甲板,這樣有利于減少航天員的搬動以及救治工作的快速開展[31]。海上救援回收任務很可能遭遇不可預測的高海況環境,在沒有外部力量的支援下,救援回收工作能否順利開展完全取決于救援船自身的技術設備,所以設備的安裝必須細致,必須固定到位,醫療物資必須充足[31]。另外,打撈船還需要適應遠航的需求,以應對遠距離的救援回收任務。

3 我國海上傘降回收基礎與發展展望

3.1 我國海上傘降回收基礎

我國目前雖然還沒有進行過航天器的海上傘降回收,但是我國已經具備了部分海上傘降回收的開展條件。我國已經成功完成了載人飛船和返回式衛星的陸地回收,對降落傘氣動減速技術已經有了系統的研究,我國新一代載人飛船的成功回收也標志我國掌握了群傘減速技術。此外,北京空間機電研究所、南京航空航天大學等單位對降落傘相關氣動和動力學的理論以及實驗進行了深入研究[32-37],可為我國海上傘降回收提供良好的技術基礎。

中國船舶科學研究中心與北京空間飛行器總體設計部在1996年合作進行了“返回艙漂浮和水上沖擊特性計算及縮比試驗”的研究項目[38],該項目研究可為開展水沖擊實驗研究提供參考。我國南京航空航天大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校在水沖擊問題上已經有較為深入的理論研究[39-41],可為水沖擊問題的理論研究提供較好的支撐。

飛船返回艙的姿態調整主要通過扶正氣囊實現,北京空間機電研究所在氣囊的研制上已經有較為豐富的技術儲備,在新一代載人飛船試驗船的回收中采用氣囊來進行著陸緩沖,相關研究可為我國航天器姿態調整技術的研究提供很好的支撐[42]。

就海上標位而言,我國在神舟飛船的陸地回收的技術經驗可以為海上標位提供重要參考,再加上我國北斗衛星導航系統組網成功,極大的提升我國海上標位技術能力。

我國曾對海上救援回收進行過一定研究,針對海上醫療救助任務進行過救援船的改裝,并派醫療隊執行神舟飛船海上衛勤保障任務[31]。但是,海上救援回收系統龐大,構建海上救援回收系統耗資較大,需要進行系統的論證研究。

3.2 我國海上傘降回收發展展望

隨著我國新一代載人飛船試驗船回收成功,我國在航天器陸地回收領域又取得了巨大突破,基于群傘-緩沖氣囊的航天器回收方案使我國的航天器陸上回收能力得到極大提升。但是地球70%的面積被海洋覆蓋,發展海上回收,增強我國航天器回收的能力,以適應未來我國日益頻繁的空間任務十分重要,基于陸地回收中掌握的降落傘氣動減速技術是我國實現海上回收的最佳選擇。但是發展海上傘降回收,我們仍然需要解決一些關鍵問題。

(1)航天器海上空投試驗以及高海況海上綜合試驗。海上空投試驗能夠全面檢測回收系統的可靠性,目前我國還沒有開展過航天器的海上空投試驗,航天器在海上濺落的數據尚不明確。我國對神舟飛船進行過海上綜合試驗,可以確定飛船具有漂浮能力,能夠為航天員提供生保環境。但是海面環境變幻莫測,在高海況下飛船返回艙是否還能夠為航天員提供生保環境,以及能夠提供多久的生保環境,這些問題都需要試驗的驗證。

(2)海上救援回收體系搭建。從我國目前的情況來看,海上救援回收是我國發展海上傘降回收最薄弱的環節,主要是因為海上救援回收體系構成復雜,我國在海上救援回收的研究也較少。我國雖然有陸上回收的經驗,但是海上回收需要配置船隊,開展海上搜救任務以及提供醫監、醫保支持等。目前我們執行載人航天任務的海上衛勤保障的船只都是臨時征召的,在設計上還存在很多不合理的地方,因此需要針對空間任務特性重新設計組建海上船隊,相應的資金投入也非常大。

(3)濺落海區的選擇。濺落海區對于海上傘降回收的順利完成至關重要,海面平靜無風能夠保證降落傘不被吹離預定海域,也能使搜救人員更快發現被搜救的目標,還能方便救援回收工作的開展。因此,濺落海區要選在氣候穩定,或者氣候變化規律的海域,不能選在自然災害較多的海域。濺落海區可以盡量選在近海區域,這樣可以利用陸上固有的測控站點,還可以縮短航天員運送到陸地的時間。另外,還需要設置多個備份濺落海區,防止主濺落海區因天氣惡劣等原因不滿足航天器返回的條件。

(4)大質量航天器群傘減速技術。不難看出,降落傘氣動減速技術是開展航天器海上傘降回收面臨的最難也是最關鍵的技術問題。隨著我國航天技術的不斷發展,航天器的質量越來越大,采用群傘減速技術是未來的發展趨勢。但是群傘存在開傘不同步、傘間干擾等問題,技術復雜程度相較于單傘高很多。我國在新一代載人飛船試驗船的回收中采用了群傘減速技術,驗證了我國群傘技術的可靠性,但是面臨我國未來日益頻繁的空間任務,還需要開展更多的試驗研究和理論研究來鞏固和加強我國群傘技術的可靠性。

4 結束語

隨著我國航天技術的不斷發展,提出了對航天器海上回收技術的迫切需求。根據我國目前掌握的技術,開展海上傘降回收是最佳的選擇。本文介紹了海上傘降回收的優勢以及國外海上傘降回收的研究情況,根據海上傘降回收的方案,分析了海上傘降回收面臨的關鍵環節。根據各個關鍵環節,介紹了我國發展海上傘降回收的基礎和發展展望。從我國現有的研究基礎和技術儲備來看,我國開展海上傘降回收已經有了一定的基礎,但仍然需要進一步系統的研究和論證,以搭建完整的海上傘降回收體系。