王立武 許望晶 劉濤 滕海山 吳卓 劉靖雷
(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)
隨著航天活動(dòng)的不斷開展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,如空間站的應(yīng)急返回、科研試驗(yàn)衛(wèi)星載荷回收等,對(duì)航天器地面搜救、回收處理時(shí)效要求越來越高;同時(shí)由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,原有落區(qū)周邊的設(shè)備設(shè)施越發(fā)密集,落區(qū)的有效范圍不斷縮小,居民疏散難度越來越大、代價(jià)也越來越高,落區(qū)協(xié)調(diào)工作變得愈加復(fù)雜,因此航天器精確定點(diǎn)回收的需求日益迫切[1]。
常規(guī)的回收系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)降落傘進(jìn)行減速回收,末端無法進(jìn)行控制,受開傘高度和降落區(qū)域當(dāng)時(shí)風(fēng)的影響,落點(diǎn)不可控,散布大[2],難以滿足航天器精確定點(diǎn)回收的需求,雖然可以通過返回再入軌道優(yōu)化、控制和風(fēng)修正技術(shù)減小落點(diǎn)散布范圍,但需要大系統(tǒng)協(xié)調(diào),代價(jià)較大、成本較高,性價(jià)比不高。如果能夠研制出末段控制的系統(tǒng)或方案,將有效解決問題,滿足精確回收需求。
翼傘[3]是根據(jù)飛機(jī)翼型產(chǎn)生升力的原理制作的一種降落傘,如圖1所示,其傘衣由上翼面、下翼面和翼肋組成,傘衣前緣開有切口,而后緣則完全封閉,后緣連有操縱繩,通過操縱使后緣下偏形成襟翼偏角,從而改變氣動(dòng)力和力矩,有效地進(jìn)行制動(dòng)或轉(zhuǎn)彎,實(shí)現(xiàn)翼傘在空中的機(jī)動(dòng)飛行和雀降著陸。翼傘從最初的出現(xiàn)到現(xiàn)在已有60多年的歷史,早期受限于翼傘的大小,在人用翼傘上應(yīng)用廣泛;后期突破大型翼傘技術(shù)以及 GPS導(dǎo)航技術(shù)成熟后,在精確空投方面應(yīng)用較多;受限于航天應(yīng)用環(huán)境條件的復(fù)雜性以及可靠性成熟度要求高等,在航天領(lǐng)域應(yīng)用較少。
圖1 翼傘結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of parafoil
翼傘精確回收系統(tǒng),是利用翼傘優(yōu)良的滑翔能力和可操縱性,通過自主歸航控制實(shí)現(xiàn)載荷的精確定點(diǎn)回收,還可通過“雀降”操縱實(shí)現(xiàn)高效的安全無損著陸[4],作為一種高效、低成本的回收系統(tǒng),非常適合航天器的精確定點(diǎn)回收。
此外國(guó)外在航天器翼傘精確回收技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究工作[5-8],美國(guó)NASA耗時(shí) 7年完成了X-38飛行器翼傘精確定點(diǎn)回收項(xiàng)目,驗(yàn)證了航天器大型翼傘精確回收技術(shù),見圖2;美國(guó)Space X公司利用翼傘完成了世上首次整流罩海上高精度動(dòng)態(tài)安全回收,見圖3。
圖2 美國(guó)X-38飛行器翼傘精確定點(diǎn)回收示意Fig.2 The X-38 parafoil accurate fixed-point landing
圖3 Space X整流罩翼傘動(dòng)態(tài)定點(diǎn)海上回收示意Fig.3 Space X fairing parafoil dynamic fixed-point recovery at sea
因此無論是航天技術(shù)發(fā)展要求,還是航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)需求,亦或是國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用情況,均表明航天器翼傘精確回收技術(shù)是航天器回收著陸專業(yè)發(fā)展必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一,是航天器精確回收著陸技術(shù)發(fā)展的重要方向。
國(guó)外翼傘精確回收技術(shù)主要用于精確空投和航天器精確回收,兩者因有共性技術(shù)而關(guān)聯(lián),又因其自身的特性和要求而獨(dú)立,形成了各自的發(fā)展特征。
(1)翼傘精確空投發(fā)展階段
國(guó)外翼傘精確空投的發(fā)展可分為以下三個(gè)階段:
20世紀(jì)60~80年代為早期發(fā)展階段,國(guó)外對(duì)小型翼傘系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)行了初步研究,積累了大量的 經(jīng)驗(yàn)[9-12]。在這一時(shí)期,國(guó)外很多高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)多種結(jié)構(gòu)外形的滑翔傘的氣動(dòng)特性和穩(wěn)定性能等進(jìn)行了初步理論分析和試驗(yàn)研究,研制出高升阻比小型翼傘,并由此產(chǎn)生了早期的徑向、比例歸航等控制方式。
80年代為初步系統(tǒng)研制階段,突破了大型翼傘技術(shù),開啟了GPS導(dǎo)航控制研究,是現(xiàn)代翼傘系 統(tǒng)技術(shù)研究的開端[13-17]。隨著GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的組建,NASA推出了一批基于GPS導(dǎo)航的飛行器研制論證計(jì)劃,比較著名的有馬歇爾飛行中心先進(jìn)回收ARS(Advanced Recovery System)項(xiàng)目和 Dryden飛行中心的航天器自主著陸SAP(Spacecraft Autoland Project)計(jì)劃,直接促使美國(guó)先鋒公司和Para-Flite公司通過大量小型翼傘空投試驗(yàn),取得了研制大型沖壓翼傘的適用新技術(shù),標(biāo)志著翼傘技術(shù)發(fā)展成熟。
90年代后為工程驗(yàn)證及應(yīng)用階段,歐美國(guó)家將技術(shù)相對(duì)成熟的沖壓翼傘與GPS導(dǎo)航技術(shù)、現(xiàn)代 微電子技術(shù)融合,控制系統(tǒng)的構(gòu)成、制導(dǎo)與控制技術(shù)發(fā)生了根本性變革,能夠應(yīng)用復(fù)雜的制導(dǎo)控制方法,從而使得翼傘系統(tǒng)著陸精度得到了極大提升,研制出多種工程實(shí)用的精確回收系統(tǒng)[18-23]。
(2)航天器翼傘精確回收發(fā)展階段
對(duì)于航天器翼傘精確回收技術(shù)來說,其承擔(dān)的任務(wù)一般都具有極高的戰(zhàn)略意義,出現(xiàn)問題導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)后果具有致命性,產(chǎn)生的影響很大;同時(shí)其應(yīng)用環(huán)境條件更加復(fù)雜,產(chǎn)品狀態(tài)具有工程離散性,飛行邊界條件又具有不確定性,試驗(yàn)?zāi)M困難,因此相對(duì)而言,其技術(shù)難度更大、風(fēng)險(xiǎn)更高,故與翼傘精確空投的發(fā)展有所區(qū)別。國(guó)外航天器翼傘精確回收技術(shù)可分為以下四個(gè)階段,如表1所示,近期由于Space X整流罩翼傘回收成功,將中型翼傘的精度及可靠性進(jìn)一步提高,為大型航天器翼傘應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),又引起了航天界的極大關(guān)注。
表1 國(guó)外航天器翼傘精確回收發(fā)展階段Tab.1 Development stage of foreign spacecraft parafoil precise recovery
對(duì)翼傘精確回收技術(shù)來說,翼傘和控制是其最核心的組成,國(guó)外翼傘和控制的發(fā)展脈絡(luò)總結(jié)如下:
(1)翼傘技術(shù)發(fā)展
國(guó)外翼傘發(fā)展脈絡(luò)大致是以小型翼傘為起點(diǎn),通過仿真及試驗(yàn)對(duì)翼傘的構(gòu)型、氣動(dòng)特性和穩(wěn)定性能等進(jìn)行理論研究,逐步突破大型翼傘技術(shù)和高性能翼傘技術(shù)。隨著回收質(zhì)量需求的不斷增加,翼傘面積不斷增大,回收質(zhì)量從幾十千克增至到十幾噸,翼傘面積從小至十幾平米增大到近千平米,同時(shí)進(jìn)一步提高翼傘性能,系統(tǒng)滑翔比不斷提高,從不足2提高到5,形成了矩形、橢圓形和梯形翼傘。
圖4為國(guó)外典型翼傘[23]的示意圖,包括美國(guó)的X-fly系列翼傘(包括Microfly、Firefly、Dragonfly、Megafly、Gigafly)以及X-38項(xiàng)目翼傘,歐洲的FAST Wing翼傘等,其中MegaFly、GigaFly以及X-38皆為矩形翼傘。
圖4 國(guó)外典型翼傘示意Fig.4 Foreign typical parafoil
(2)翼傘控制技術(shù)發(fā)展
國(guó)外翼傘控制方式以GPS導(dǎo)航為界限大致分為兩個(gè)階段,涵蓋三種方法,如圖5所示。
圖5 國(guó)外翼傘控制系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)示意Fig.5 The development of foreign parafoil control system
國(guó)外工程研制基本都采用分段歸航控制方法,進(jìn)行在線航跡規(guī)劃和實(shí)時(shí)航跡跟蹤控制。分段歸航中的能量管理段的控制對(duì)最終的著陸精度影響較大,是翼傘控制策略和算法的核心,從實(shí)現(xiàn)來看,主要包括圓弧—直線、曲線、圓弧等三種形式,如圖6所示。國(guó)外翼傘著陸精度基本達(dá)到了百米量級(jí)[23]。
圖6 國(guó)外不同形式的末段控制方法示意Fig. 6 Foreign different terminal control methods
翼傘精確空投和航天器翼傘精確回收的區(qū)別對(duì)比,如表2所示。
表2 國(guó)外翼傘精確回收技術(shù)發(fā)展特征比較Tab.2 Comparison of development characteristics of foreign parafoil precise recovery
從國(guó)外航天器翼傘精確回收技術(shù)發(fā)展及研制來看,航天器翼傘精確回收技術(shù)研制具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性,因此我們要充分汲取國(guó)外的研制經(jīng)驗(yàn),如考慮穩(wěn)定性和可靠性,大型翼傘選用矩形翼,翼傘控制采用分段歸航控制,設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合等,制定好發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)路線,充分利用資源,實(shí)現(xiàn)航天器精確回收技術(shù)的跨越式發(fā)展。
國(guó)內(nèi)航天器翼傘系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)基本與國(guó)外一致,先是跟蹤及理論研究,進(jìn)行實(shí)物研制,翼傘從小型、中型,逐步到進(jìn)行大型翼傘攻關(guān),控制方式也經(jīng)歷了國(guó)外的兩個(gè)階段,利用GPS進(jìn)行分段歸航控制,逐步提高落點(diǎn)精度,進(jìn)行大型翼傘著陸精度攻關(guān)。北京空間機(jī)電研究所是我國(guó)唯一專業(yè)的航天器回收著陸技術(shù)研究單位,在航天器翼傘精確回收系統(tǒng)工程研究方面一直走在國(guó)內(nèi)前列,基本上代表了我國(guó)在航天器翼傘精確回收系統(tǒng)工程上的最高水平。
國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代末以來一直跟蹤國(guó)外翼傘回收系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展。1990年代北京空間機(jī)電研究所成功研制了國(guó)內(nèi)第一套小型翼傘系統(tǒng),翼傘面積60m2,回收質(zhì)量650kg,滑翔比2.5~3.0,突破了中型面積翼傘的設(shè)計(jì)、制造加工工藝、飛機(jī)空投、開傘載荷控制、歸航控制及試驗(yàn)方法等一系列關(guān)鍵技術(shù),打破了國(guó)外的壟斷,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)翼傘系統(tǒng)從無到有。圖7為60m2翼傘回收系統(tǒng)高塔投放及空投試驗(yàn)。
2000年初,為了進(jìn)一步驗(yàn)證翼傘歸航控制能力,提高落點(diǎn)精度,為中大型翼傘的歸航控制進(jìn)行技術(shù)積累,北京空間機(jī)電研究所研制了一套微型翼傘回收系統(tǒng)(見圖8),翼傘面積14m2,回收質(zhì)量130kg,利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航、由雙伺服機(jī)構(gòu)對(duì)翼傘后緣進(jìn)行下拉操縱,進(jìn)行了地面跑車和空投試驗(yàn),達(dá)到了自動(dòng)歸航落點(diǎn)精度優(yōu)于200m,手動(dòng)歸航落點(diǎn)精度優(yōu)于70m的歸航控制能力,并增加了對(duì)翼傘的轉(zhuǎn)彎操縱規(guī)律和雀降控制的了解和認(rèn)識(shí)。
圖7 60m2翼傘回收系統(tǒng)高塔投放及空投試驗(yàn)Fig.7 High tower drop and air drop test of 60m2 parafoil recovery system
圖8 14m2翼傘回收系統(tǒng)Fig.8 14m2 parafoil recovery system
2010年初,受中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院委托,北京空間機(jī)電研究所進(jìn)行了高精度中型翼傘回收系統(tǒng)研制,翼傘面積80m2(見圖9),回收質(zhì)量1 000kg。采用了CFD結(jié)合流固耦合計(jì)算方法進(jìn)行翼傘氣動(dòng)性能仿真[24],對(duì)翼傘設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),研發(fā)一種綢布進(jìn)氣閥輔助充氣以及弦向鏈?zhǔn)绞湛诜椒▽?duì)翼傘的充氣、收口展開進(jìn)行控制,取得較好的效果;采用雙天線GPS分段歸航控制系統(tǒng),具備手動(dòng)和自動(dòng)控制功能[25];建立了翼傘系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合控制算法進(jìn)行了航跡仿真,對(duì)著陸精度及風(fēng)的影響進(jìn)行了仿真分析[26];經(jīng)過3次翼傘空投試驗(yàn)、4次歸航空投試驗(yàn)驗(yàn)證以及1次全系統(tǒng)空投試驗(yàn),該系統(tǒng)歸航精度可達(dá)150m。
2015年至今,北京空間機(jī)電研究所正在開展300m2大型翼傘的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作,以用于 4t級(jí)助推器的安全回收,重點(diǎn)解決大型翼傘的加工工藝、大型翼傘的初始充氣展開、開傘過載控制、強(qiáng)度以及試驗(yàn)驗(yàn)證等。圖10為300m2翼傘示意。
圖9 80m2翼傘回收系統(tǒng)Fig.9 80m2 parafoil recovery system
圖10 300m2翼傘示意Fig.10 300m2 parafoil
此外,在航天器翼傘精確回收技術(shù)理論研究方面,國(guó)內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高校均開展了研究和分析[27-30],為航天器翼傘精確回收技術(shù)工程化提供了參考和借鑒。
我國(guó)翼傘精確回收系統(tǒng)雖然積累了一定的經(jīng)驗(yàn),但無論是從翼傘性能、回收能力、著陸精度,還是工程應(yīng)用等方面比較,與國(guó)外還有相當(dāng)大的差距,具體如表3所示。
表3 國(guó)內(nèi)外翼傘精確回收技術(shù)差距比較Tab.3 Gap comparison of parafoil precise recovery at home and abroad
這主要是我國(guó)高性能翼傘的設(shè)計(jì)、氣動(dòng)性能、自主歸航控制等共性技術(shù)基礎(chǔ)較弱,理論研究不足;對(duì)翼傘氣動(dòng)性能仿真、運(yùn)動(dòng)模型的精細(xì)化研究和運(yùn)動(dòng)參數(shù)辨識(shí)等仿真研究不夠深入;此外缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估能力,試驗(yàn)驗(yàn)證手段單一、數(shù)據(jù)積累較少,缺乏工程應(yīng)用考驗(yàn)。因此需在進(jìn)行大型翼傘系統(tǒng)理論研究的同時(shí),建立大型翼傘試驗(yàn)驗(yàn)證體系。
翼傘具有的可控滑翔特性在精確回收領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),2019年6月由于Space X整流罩翼傘回收成功,又引起了國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司也宣布嘗試使用翼傘對(duì)其“電子”火箭第一級(jí)進(jìn)行回收和復(fù)用,歐空局目前正在研制的“太空騎士”可重復(fù)使用航天器也計(jì)劃利用翼傘進(jìn)行精確著陸。
隨著空間技術(shù)的蓬勃發(fā)展和翼傘系統(tǒng)大量的工程應(yīng)用,航天器翼傘精確回收系統(tǒng)必然會(huì)向著大型化、智能化的方向發(fā)展,同時(shí)隨著可靠性和成熟度的不斷提高,翼傘精確回收系統(tǒng)最終會(huì)應(yīng)用于載人航天器精確回收中。同時(shí)隨著翼傘技術(shù)的進(jìn)步,又形成新的發(fā)展方向,引領(lǐng)新的應(yīng)用需求。
(1)充氣再入減速技術(shù)(IRDT) +翼傘
美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司ULA計(jì)劃利用IRDT和翼傘在半空中對(duì)其下一代“火神”火箭兩臺(tái)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)-BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施回收以重復(fù)使用,發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙首先從一級(jí)火箭底部拋出,通過IRDT減速器加以保護(hù)進(jìn)入大氣層,然后在合適高度展開可控翼傘,以由直升機(jī)在半空中予以捕獲。“火神”火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)翼傘回收示意,如圖11所示。該技術(shù)是將再入防熱、減速和精確回收結(jié)合起來,可用于載荷(本身無防熱措施)的再入返回和精確回收,以重復(fù)使用。
(2)新型高空翼傘+臨近空間技術(shù)
美國(guó)在NASA“飛行機(jī)會(huì)”項(xiàng)目中遴選出5項(xiàng)太空技術(shù)進(jìn)行飛行測(cè)試,其中一項(xiàng)就是新型高空翼傘設(shè)計(jì),翼傘飛行高度達(dá)20km,將翼傘系統(tǒng)與臨近空間相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來,用于精確遞送或者臨近空間相關(guān)試驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)利用新型高空翼傘進(jìn)行臨近空間巡航,可滿足面對(duì)突發(fā)性重大自然災(zāi)害期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急救災(zāi)快速響應(yīng)需求。
(3)增阻離軌+IRDT+翼傘
圖11 “火神”火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)翼傘回收示意Fig.11 Parafoil recovery for primary engine of Vulcan Rocket
未來可通過增阻離軌技術(shù)來增加航天器的阻力面積,依靠大氣阻力進(jìn)行被動(dòng)離軌,接著通過 IRDT進(jìn)行高速段減速和防熱,實(shí)現(xiàn)再入過程的熱防護(hù)、氣動(dòng)減速,最終通過翼傘系統(tǒng)完成定點(diǎn)著陸,實(shí)現(xiàn)航天器離軌、再入、減速、精確回收。這項(xiàng)技術(shù)均為柔性可展開裝置,空間、重量要求相對(duì)較小,可用于未來空間目標(biāo)的再入與回收,具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
綜上所述,隨著空間技術(shù)的發(fā)展,整流罩、助推器、返回式衛(wèi)星、載人航天器等精確定點(diǎn)回收的需求越發(fā)迫切;同時(shí)翼傘技術(shù)進(jìn)步又可牽引出新的應(yīng)用方向,研制航天器翼傘精確回收系統(tǒng)有明確的應(yīng)用需求,且可促進(jìn)新技術(shù)新應(yīng)用的發(fā)展,因此有必要結(jié)合航天器精確回收已有的翼傘技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)優(yōu)勢(shì),以載人航天器精確回收為目標(biāo),攻克翼傘精確回收關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)理論突破,形成設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái);并充分利用商業(yè)航天、整流罩、助推器等工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn),進(jìn)一步提高可靠性和成熟度,最終如圖12中所示,實(shí)現(xiàn)我國(guó)載人航天器翼傘精確回收。
圖12 航天器翼傘工程應(yīng)用示意Fig.12 Diagram of engineering application of spacecraft parafoil
隨著翼傘精確回收技術(shù)在航天領(lǐng)域的成熟應(yīng)用,航天器翼傘精確回收技術(shù)也可根據(jù)國(guó)家需求,適當(dāng)通過技術(shù)轉(zhuǎn)化,支持和引領(lǐng)其他行業(yè)發(fā)展,拓展應(yīng)用領(lǐng)域。
1)為商業(yè)航天提供低成本、短周期的精確回收服務(wù),助力商業(yè)航天快速發(fā)展,可利用翼傘為臨近空間載人觀光艙等提供精確安全回收保障。
2)在軍用領(lǐng)域,根據(jù)國(guó)家需要翼傘精確回收技術(shù)可應(yīng)用于物資、裝備的及時(shí)和精確補(bǔ)給,如海上艦艇補(bǔ)給、戰(zhàn)時(shí)物資補(bǔ)給及高原地區(qū)物資裝備空投,如圖13(a)、(b),以及靶彈、無人機(jī)等的精確回收,如圖13(c)、(d)所示。
圖13 軍用領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景示意Fig.13 Diagram of military field application
3)在民用領(lǐng)域引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展,推進(jìn)行業(yè)深度融合
在民用領(lǐng)域,翼傘精確回收技術(shù)不僅可用于精確投放,如搶險(xiǎn)救災(zāi)投放物資、低空應(yīng)急救生等,還可結(jié)合動(dòng)力翼傘作為平臺(tái)使用,用于農(nóng)林業(yè)植保和大型物流運(yùn)輸,如圖 14(a),甚至可用于低速飛行汽車,如圖14(b)。
圖14 民用領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景示意Fig.14 Diagram of civil field application
航天器翼傘精確回收技術(shù)因其應(yīng)用環(huán)境條件復(fù)雜、技術(shù)難度大、可靠性成熟度要求高,研制具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。因此需通過制定好發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)路線,進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)攻關(guān),通過仿真、試驗(yàn)、理論設(shè)計(jì)互相迭代驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)翼型設(shè)計(jì)理論、控制算法、氣動(dòng)理論計(jì)算及仿真方面的突破,在工程應(yīng)用中不斷提高系統(tǒng)的成熟度和可靠性,通過技術(shù)成果轉(zhuǎn)化,拓展應(yīng)用領(lǐng)域,推進(jìn)行業(yè)深度融合,為我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)做出新的貢獻(xiàn)。