超聲速降落傘工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

王國(guó)輝，牟 宇，張 然，李 君，杜 濤

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 ，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100074)

0 引言

目前亞聲速降落傘技術(shù)工程應(yīng)用已較為成熟，但隨著工程需求的發(fā)展，陸續(xù)提出了超聲速條件下開(kāi)傘的需求，最為引人注目的應(yīng)用場(chǎng)景為火星著陸(表1)和運(yùn)載火箭子級(jí)/整流罩落區(qū)控制等。2021年7月作者所在團(tuán)隊(duì)成功完成了一次整流罩落區(qū)傘降控制的高亞聲速開(kāi)傘搭載試驗(yàn)(圖1)，后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展超聲速開(kāi)傘試驗(yàn)。超聲速條件下降落傘應(yīng)用有著突出的優(yōu)勢(shì)，但環(huán)境更為復(fù)雜，技術(shù)難度更大，并非目前亞聲速降落傘的簡(jiǎn)單外推，對(duì)技術(shù)的分析和應(yīng)用提出了更高的要求。近10年國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相關(guān)研究工作，取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。本文立足于飛行試驗(yàn)和型號(hào)應(yīng)用的角度，總結(jié)國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和最新進(jìn)展，分析了降落傘在超聲速條件下應(yīng)用的特殊性和關(guān)鍵技術(shù)，歸納了目前在技術(shù)上面臨的困難和取得的進(jìn)展，供工程應(yīng)用設(shè)計(jì)參考。

表1 火星探測(cè)項(xiàng)目使用超聲速降落傘情況[1]

圖1 整流罩落區(qū)控制高亞聲速開(kāi)傘搭載試驗(yàn)Fig.1 Parachute deployment on high subsonic condition for fairing landing area control

本文首先給出了降落傘在超聲速條件下工程應(yīng)用的基本要求，歸納了超聲速降落傘的種類和基本問(wèn)題，分析了工程研制中的關(guān)鍵問(wèn)題，最后給出了工程應(yīng)用建議。

1 降落傘超聲速條件應(yīng)用的要求

降落傘在超聲速條件工程應(yīng)用存在特殊性，需要滿足如下條件：

1)開(kāi)傘充氣過(guò)程必須高效和連續(xù)；

2)超聲速和亞聲速條件下，均能良好工作；

3)對(duì)前置體提供較高的阻力，且主傘與前置體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定；

4)考慮高速顫振和空氣加熱等問(wèn)題，經(jīng)得住較高的開(kāi)傘動(dòng)載。

本文將圍繞實(shí)現(xiàn)上述要求，總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)的認(rèn)識(shí)和解決措施方面的進(jìn)展。

2 超聲速降落傘的種類和基本特性

2.1 超聲速傘的種類

并非所有傘型在超聲速條件下都能正常工作，先簡(jiǎn)要介紹能在超聲速條件下正常工作的傘型。

2.1.1 帶條傘

帶條傘有平面、環(huán)縫傘、波環(huán)傘、錐形和半流帶條傘等幾種。帶條傘的開(kāi)傘動(dòng)載較小，穩(wěn)定性較高。

圖2 帶條傘[4]Fig.2 Ringsail parachute[4]

2.1.2 超聲速半流傘

半流傘傘衣在張滿狀態(tài)下，形狀趨于半球形，呈210°球面。超聲速下應(yīng)力分布相對(duì)均勻，但其每幅為曲面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度及難度較大。

圖3 半流傘[3-4]Fig.3 Half-flow Parachute[3-4]

2.1.3 盤縫帶傘

盤縫帶傘是開(kāi)縫傘的一種，傘衣由平面圓形“盤”和圓筒型“帶”組成，中間由縫隙將兩者垂直分開(kāi)(圖4)。傘衣幅呈扇形，盤的中間有通氣孔。盤縫帶傘在超聲速、低密度開(kāi)傘條件和穩(wěn)定性好，充氣性能優(yōu)良，國(guó)外已成功實(shí)施的火星著陸任務(wù)均采用了盤縫帶傘。

圖4 盤縫帶傘Fig.4 Disk-gap-band parachute

2.1.4 導(dǎo)向面?zhèn)?/p>

在平面圓形傘傘衣底部延伸一個(gè)倒裝的錐形導(dǎo)向面，能使氣流分離，壓力分布對(duì)稱，穩(wěn)定性好。但材料消耗多，工藝復(fù)雜，成本高。

圖5 導(dǎo)向面?zhèn)鉡3]Fig.5 Oriented face parachute[3]

2.1.5 十字形傘

十字形傘是由兩個(gè)矩形織物彼此直角相交而成，穩(wěn)定性好，材料利用率高，制造簡(jiǎn)單；但容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損，加工對(duì)稱性要求高。

圖6 十字形傘[9]Fig.6 Cruciform parachute[9]

2.2 超聲速傘的基本特性

傘的特性取決于傘的工作狀態(tài)(馬赫數(shù)及雷諾數(shù))、結(jié)構(gòu)形狀、前置體與傘系統(tǒng)的幾何特性等。

就結(jié)構(gòu)形狀而言，在亞聲速段，半流傘、錐形帶條傘、導(dǎo)向面?zhèn)惴€(wěn)定性優(yōu)于十字形傘、超聲速-X 形傘和盤縫帶傘。在超聲速段，導(dǎo)向面?zhèn)?、錐形帶條傘和十字形傘在馬赫數(shù)1.5以下性能良好；半流傘在馬赫數(shù)1.5～2.5 范圍內(nèi)仍具有良好的阻力特性和穩(wěn)定性；盤縫帶傘可以良好工作到馬赫數(shù)2.7，之后呈現(xiàn)較大振動(dòng)現(xiàn)象。

阻力特性是降落傘最重要的特性，超聲速下阻力系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因在于傘的投影直徑隨馬赫數(shù)增加而減小(圖7)。在亞、跨聲速范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)形式和透氣量對(duì)傘的阻力系數(shù)影響顯著，透氣量減小會(huì)引起阻力系數(shù)的顯著增加(圖8)，但穩(wěn)定性較差。MPF型傘比Viking型傘阻力低，但更穩(wěn)定，擺幅更小。

(a) 亞聲速投影直徑

圖8 4種盤縫帶傘阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化[7]Fig.8 Variety of drag coefficients of four parachute models according Mach number[7]

圖9為美國(guó)JPL在ASPIRE(Advanced Superso-nic Parachute Inflation Research Experiments)飛行試驗(yàn)上獲取降落傘阻力特性變化的歷程，開(kāi)傘工作馬赫數(shù)為1.64。傘繩拉直后，阻力系數(shù)快速升高到0.81，很快由于彈性回縮下降到0.55。經(jīng)歷第二峰值后，阻力值保持在0.65～0.81之間，直到降落傘進(jìn)入亞聲速范圍。

圖9 ASPIRE計(jì)劃飛行試驗(yàn)測(cè)量獲得的阻力特性[11]Fig.9 The measured drag coefficient during flight in ASPIRE projection[11]

3 超聲速降落傘的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 超聲速降落傘的傘繩問(wèn)題

3.1.1 傘繩長(zhǎng)度的影響

超聲速工作段，傘繩長(zhǎng)度增加會(huì)增大傘的投影直徑，增大傘的阻力系數(shù)，增加穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明，亞聲速傘的傘繩長(zhǎng)度一般是傘衣名義直徑的0.8～1.1倍，而超聲速傘則是1.75～2.0倍，提高近1倍。

但傘繩長(zhǎng)度的增加會(huì)大幅增加整傘質(zhì)量，半流傘傘繩質(zhì)量占整傘質(zhì)量的 65%，同時(shí)占用較大容積，設(shè)計(jì)需要綜合考慮。

3.1.2 “繩帆”現(xiàn)象

“繩帆”是指降落傘在拉直過(guò)程中傘繩或傘衣偏離拉直方向，出現(xiàn)部分彎曲的現(xiàn)象(圖10)，可用傘繩偏離拉直工況條件下的最大偏離距離刻畫(huà)?！袄K帆”現(xiàn)象會(huì)改變拉直時(shí)間、過(guò)度增加拉直力，還有可能導(dǎo)致充氣時(shí)發(fā)生漏氣塌陷、非對(duì)稱充氣，甚至傘衣?lián)p壞等不可預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。

圖10 “繩帆”現(xiàn)象示意圖Fig.10 The line sail phenomena sketch map

仿真顯示傘繩完全拉出時(shí)刻“繩帆”現(xiàn)象最為嚴(yán)重，彎曲主要發(fā)生在傘衣部分,如圖11所示。魯媛媛等仿真研究顯示，在超聲速條件下，開(kāi)傘前馬赫數(shù)越大，飛行器攻角越大會(huì)加劇“繩帆”現(xiàn)象的發(fā)生,如圖12所示。因此一些工程項(xiàng)目對(duì)開(kāi)傘的攻角有明確限制，甚至要求控制為0。

圖11 “海盜”號(hào)火星探測(cè)器開(kāi)傘過(guò)程的“繩帆”仿真結(jié)果Fig.11 Line bowling simulation for Viking Decelerator System

(a) 飛行器攻角

3.2 流場(chǎng)激波的影響

流場(chǎng)復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)是超聲速降落傘最顯著特性(圖13)。近年來(lái)，美國(guó)NASA及其合作小組研究，發(fā)現(xiàn)降落傘傘繩激波在傘繩附近形成，影響超聲速流的不穩(wěn)定性，誘發(fā)柔性傘衣的“呼吸”振動(dòng)(圖14)。

圖13 降落傘在馬赫數(shù)1.9流場(chǎng)中的紋影圖[10,19]Fig.13 Flow schlieren photography of parachute at Mach 1.9[10,19]

圖14 降落傘模型安裝在跨聲速風(fēng)洞中[18]Fig.14 Model parachute installed in transonic wind tunnel test section[18]

3.2.1 激波與傘的通透性

如果正激波能夠被“吞”下，保持在傘衣底邊口部，如圖15所示，增大傘衣底邊的壓差，有利于傘衣投影面積和阻力增大，減小高速顫振，原因類似管流的壅塞消除現(xiàn)象。為了“吞”下激波，這就要求超聲速傘有較高的結(jié)構(gòu)透氣量。試驗(yàn)研究表明，半流帶條傘的透氣量超聲速條件下在17%～29%之間，而亞聲速則在 17%以下。

圖15 不同結(jié)構(gòu)透氣量降落傘的激波位置對(duì)比[2,10]Fig.15 Shock wave location for parachutes with different structural permeability[2,10]

3.2.2 激波與傘的非定常相互作用

2014年日本JAXA在超聲速風(fēng)洞上開(kāi)展了來(lái)流馬赫數(shù)2.0下激波與傘之間相互作用的試驗(yàn)。圖16給出了試驗(yàn)降落傘傘衣前弓形激波不停波動(dòng)的紋影圖，其中2.8～3.6 ms發(fā)生了大尺度變形，這是激波與邊界層相互作用的結(jié)果。

圖16 弓形激波大尺度變形的演化過(guò)程[19]Fig.16 Process of large scale deformation of bow shock[19]

薛曉鵬等采用固定的降落傘傘衣模型，開(kāi)展了動(dòng)態(tài)流動(dòng)模擬，如圖17所示。結(jié)果顯示攻角的影響下，非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上下不對(duì)稱，并且上下傘繩激波形成時(shí)間不同步。流場(chǎng)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致傘衣的阻力出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。圖18 為傘內(nèi)上下表面平均壓力分布隨著攻角的變化。攻角=5°時(shí)，傘內(nèi)上下面的壓力分布最小，而攻角為=10°的壓力反而有所上升。

(a) t=10T5/46 (b) t=14T5/46 (c) t=19T5/46

圖18 傘內(nèi)上下表面平均壓力分布隨著攻角的變化Fig.18 Time-averaged pressure distribution of the canopy inside surface with different angles of attack

3.3 開(kāi)傘過(guò)程

超聲速開(kāi)傘過(guò)程是最為危險(xiǎn)的階段。充氣過(guò)程是一個(gè)傘動(dòng)能傳遞給周圍流體的過(guò)程，傘衣周圍的氣流沿著傘運(yùn)動(dòng)方向被加速，可能出現(xiàn)傘衣尾部氣流的速度大于傘系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度，出現(xiàn)尾流再附現(xiàn)象改變傘衣壓力分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，傘衣塌陷。嚴(yán)重情況下誘發(fā)傘部件與有效載荷的纏繞。

3.3.1 開(kāi)傘過(guò)程的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M

降落傘的阻力系數(shù)和穩(wěn)定性在跨聲速段發(fā)生劇烈變化，其氣動(dòng)參數(shù)和穩(wěn)定性較難準(zhǔn)確獲得，需要通過(guò)試驗(yàn)獲取。圖19提供了在FL-24 風(fēng)洞中開(kāi)展半流帶條傘的開(kāi)傘過(guò)程試驗(yàn)，先后經(jīng)歷變形、傘繩拉直、傘衣展開(kāi)充氣、傘衣形狀逐漸飽滿、充氣完成等過(guò)程。

(a) t=0.05 s (b) t=0.06 s (c) t=0.07 s

3.3.2 開(kāi)傘過(guò)程的控制

開(kāi)傘控制設(shè)計(jì)是超聲速減速傘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的開(kāi)傘控制方法主要有3 類： 純時(shí)間控制法、 過(guò)載-時(shí)間控制法和靜壓高度控制法。榮偉等研究認(rèn)為過(guò)載-時(shí)間控制法技術(shù)簡(jiǎn)單，并可克服其他方式對(duì)彈道的依賴性。

3.3.3 開(kāi)傘過(guò)程的動(dòng)載荷問(wèn)題

對(duì)于無(wú)限質(zhì)量情況，最大開(kāi)傘動(dòng)載可簡(jiǎn)化成如下公式

最大開(kāi)傘動(dòng)載=··()·2

式中，為空氣密度；()為傘的阻力特征，為動(dòng)載系數(shù)。

在亞聲速范圍內(nèi)動(dòng)載系數(shù)是常值，在高亞聲速或超聲速范圍內(nèi)，由于空氣壓縮性、激波、顫振等因素綜合作用，動(dòng)載系數(shù)非常復(fù)雜，難以精確預(yù)測(cè)。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)動(dòng)載荷復(fù)雜性和危害，這里介紹美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室LDSD(Low-Density Supersonic Decelerators)項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)結(jié)果。兩次飛行試驗(yàn)的傘體結(jié)構(gòu)均由于動(dòng)載荷發(fā)生破壞，如圖20所示。

圖20 LDSD超聲速飛行試驗(yàn)概覽Fig.20 Supersonic flight dynamics test mission overview(LDSD)

第一次試驗(yàn)降落傘在完全充滿狀態(tài)的設(shè)計(jì)載荷為80 000 lb(1 lb=0.454 kg)。飛行試驗(yàn)中傘衣展開(kāi)的早期，不足設(shè)計(jì)值的15%，傘衣即發(fā)生了撕裂，如圖21所示。

圖21 第一次試驗(yàn)傘衣發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞Fig.21 Parachute fabric damage in the first LDSD project flight test

隨后對(duì)傘衣的設(shè)計(jì)載荷提高到166 000 lb，有1.5倍的載荷安全余量以覆蓋動(dòng)態(tài)和非對(duì)稱性引起的載荷增加。飛行試驗(yàn)之前通過(guò)了亞聲速火箭橇試驗(yàn)。然而，在2015年的飛行試驗(yàn)中，飛行極限載荷僅為設(shè)計(jì)載荷一半的情況下(大約為79 000 lb 載荷)降落傘結(jié)構(gòu)依然發(fā)生破壞，如圖22所示。從中獲得最重要的教訓(xùn)是準(zhǔn)靜態(tài)分析方法得到的超聲速傘結(jié)構(gòu)允許上邊界并不充分。

(a) 152.70 s (b) 152.87 s (c) 153.03 s

3.3.4 降落傘的拉直過(guò)程

降落傘的拉直過(guò)程是開(kāi)傘的第一步，拉直過(guò)程定義為發(fā)火裝置點(diǎn)火到傘繩拉直。圖23提供了ASPIRE計(jì)劃在馬赫數(shù)1.64附近的降落傘展開(kāi)過(guò)程，沒(méi)有糾纏，連接繩有較小的扭曲和解扭曲運(yùn)動(dòng)，會(huì)激發(fā)出橫波傳遞給降落傘的拉直過(guò)程。應(yīng)力的尖峰出現(xiàn)在傘繩拉直后的1 s左右，如圖24所示。

(a) 0.100 s (b) 0.150 s (c) 0.200 s

圖24 吊帶上的應(yīng)力和總載荷Fig.24 Tension on the triple bridle legs and total load after mortar fire

3.3.5 充氣過(guò)程

拉直過(guò)程完成后，進(jìn)入傘衣充氣過(guò)程。充氣過(guò)程是一個(gè)幾何非線性與材料非線性并存的快速大變形狀態(tài)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。時(shí)至今日依然無(wú)法準(zhǔn)確地描述過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。

圖25為ASPIRE飛行試驗(yàn)充氣過(guò)程，以傘繩拉直為起始時(shí)刻。100 ms左右，部分傘衣肉眼可見(jiàn)地開(kāi)始打開(kāi)；200 ms左右，帶子向外膨脹。充氣結(jié)束時(shí)刻定義為降落傘第一次達(dá)到最大載荷，即圖24中的1.467 s時(shí)刻。隨后，傘衣大致穩(wěn)定，大幅度自由振蕩。傘衣內(nèi)部有小范圍振蕩。繞著盤和帶子循環(huán)著運(yùn)動(dòng)，1～2 s后被阻尼掉。

(a) 0.000 s (b) 0.100 s (c) 0.200 s

結(jié)合圖24的載荷歷程，可以認(rèn)識(shí)到充氣過(guò)程的一個(gè)重要現(xiàn)象——“呼吸”現(xiàn)象。表現(xiàn)為傘衣像呼吸一樣周期性的一張一縮變化，此時(shí)傘衣的阻力不穩(wěn)定，傘衣產(chǎn)生周期性波動(dòng)，帶來(lái)物傘系統(tǒng)“喘振”，可能導(dǎo)致共振發(fā)生。

3.3.6 充氣過(guò)程的穩(wěn)定性

高動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致充氣過(guò)程容易誘發(fā)不穩(wěn)定性。圖26為超聲速傘充氣過(guò)程穩(wěn)定和不穩(wěn)定的風(fēng)洞試驗(yàn)紋影圖比較。充氣過(guò)程不穩(wěn)定時(shí)候，降落傘與傘繩發(fā)生糾纏，充氣過(guò)程失敗，如圖26(a)所示。

(a) 不穩(wěn)定充氣過(guò)程

王祁等開(kāi)展了充氣過(guò)程的流固耦合分析，在馬赫數(shù)1.2 條件下充氣過(guò)程正常(圖27)，傘衣振蕩幅比較小，阻力變化較為平滑(圖29)。馬赫數(shù)2.8的充氣過(guò)程振蕩劇烈(圖28)，阻力也振蕩劇烈(圖29)，過(guò)度擴(kuò)張導(dǎo)致的恢復(fù)力大于阻力，致使收縮過(guò)度，氣體進(jìn)入量減少，開(kāi)傘失敗。

圖27 降落傘充氣過(guò)程(Ma=1.2)Fig.27 Parachute inflating process (Ma=1.2)

圖28 降落傘充氣過(guò)程(Ma=2.8)Fig.28 Parachute inflating process (Ma=2.8)

(a) Ma=1.2

3.3.7 “抽鞭”現(xiàn)象

當(dāng)頂部傘衣處于未充氣狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)彎曲及劇烈的甩動(dòng)現(xiàn)象。形象地稱之為“ 抽鞭”現(xiàn)象，如圖30所示。“抽鞭”現(xiàn)象的危害表現(xiàn)在：

圖30 出現(xiàn)“抽鞭”現(xiàn)象的傘衣形狀[14]Fig.30 Problem aggravated by line bowing[14]

1)摩擦或者高速擊打?qū)е聜阋缕茡p；

2)部分傘衣從環(huán)縫鉆入下部傘衣/傘繩中，發(fā)生纏繞；

3)頂孔繩在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生纏繞，導(dǎo)致傘衣破損，稱為頂孔纏繞；

4)傘衣非對(duì)稱充氣，導(dǎo)致假頂 。

2004年秋天，美國(guó)新一代的火星探測(cè)器降落傘回收系統(tǒng)進(jìn)行了4 次高空空投試驗(yàn)。主傘采用了頂孔控制帶 ，但在頭兩次試驗(yàn)中，頂部均發(fā)生嚴(yán)重的回彈，傘衣破損和纏繞，造成落地速度過(guò)大，如圖31所示。

圖31 美國(guó)火星探測(cè)器降落傘第一次試驗(yàn)Fig.31 Parachute first flight test for Mars explorer

解決“ 抽鞭”問(wèn)題的基本思路是對(duì)傘衣頂孔部分進(jìn)行控制，避免甩動(dòng)，例如采用頂孔控制帶、牽頂傘和頂孔環(huán)。

3.4 顫振問(wèn)題

在超聲速飛行過(guò)程中，“呼吸”和高頻顫振現(xiàn)象(傘繩抖振、傘衣喘振、帶條扭振及降落傘高頻擺振等)，容易導(dǎo)致降落傘縫合部遭受撕裂性破壞，甚至結(jié)構(gòu)解體。為防止劇烈振動(dòng)破壞，構(gòu)件盡可能采用連續(xù)型結(jié)構(gòu)，減少縫合部連接環(huán)節(jié)。主要承力部位縫合部的端頭，可采用橫向卡箍式包扎固定等措施，防止縫線剝離。材料選擇芳綸帶，減小伸長(zhǎng)率，避免出現(xiàn)傘衣喘振、連接帶彈簧式抖振。

3.5 氣動(dòng)熱分析

氣動(dòng)加熱問(wèn)題是超聲速飛行特有的關(guān)鍵性問(wèn)題。李旭東等采用CFD對(duì)超聲速半流傘開(kāi)展了氣動(dòng)熱分析。圖32為4個(gè)不同工況下流場(chǎng)的溫度云圖，=2.0，=15 km 時(shí)，流場(chǎng)最高溫度是439 K；=3.3，=25 km 時(shí)，流場(chǎng)最高溫度是770.9 K。傘面溫度最高區(qū)域處于傘頂口附近內(nèi)表面上。

(a) Ma=2.0, H=15 km

左光等采用流固耦合數(shù)值方法模擬了飛船再入在馬赫數(shù)為3，高度為27 km的超聲速條件下充氣過(guò)程，并采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解了氣動(dòng)加熱。傘船系統(tǒng)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)溫度分布云圖如圖33所示。

(a) t=0 s (b) t=2 s (c) t=4 s

研究顯示返回艙尾流使得穩(wěn)定傘的流場(chǎng)來(lái)流溫度升高，傘面內(nèi)表面氣動(dòng)加熱比外表面更加嚴(yán)重。傘衣頂部在 6.83 s 時(shí)最高溫度達(dá) 441.1 K，如圖34所示。

圖34 頂部傘衣溫度變化Fig.34 Temerature variation of top canopy

3.6 飛行器流場(chǎng)尾跡的影響

降落傘處于飛行器的尾流區(qū)域，尾流對(duì)降落傘的工作有重要的影響，超聲速流場(chǎng)情況下，尾流更加復(fù)雜。圖35為亞聲速尾流和超聲速尾流比較。圖37給出了數(shù)值模擬馬赫數(shù)為2的來(lái)流條件下，返回艙下游的尾跡運(yùn)動(dòng)與降落傘流場(chǎng)的相互作用。飛行器尾跡流動(dòng)的復(fù)雜性和非定常特性會(huì)導(dǎo)致傘衣周圍呈現(xiàn)復(fù)雜的渦流運(yùn)動(dòng)，加劇柔性傘衣大面積的強(qiáng)烈不對(duì)稱振蕩運(yùn)動(dòng)。

(a) 亞聲速尾流

超聲速工作段前置體的尾流對(duì)降落傘性能的影響較亞聲速工作段嚴(yán)重得多。一般將前置體尾部至傘衣進(jìn)氣口距離與前置體的直徑的比值()定義為傘系統(tǒng)拖曳距離參數(shù)。試驗(yàn)表明，超聲速段拖曳距離參數(shù)≥7，可避免前置體尾流的影響。而亞聲速段的拖曳距離，≥3即可。

圖36 探測(cè)器超聲速流尾跡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[38]Fig.36 Explorer wake region supersonic flow structure[38]

圖37 返回艙和傘系統(tǒng)中心截面的速度和壓力分布圖[39]Fig.37 General flow features around the interacting surfaces. Isocontours indicate streamwise velocity and isolines indicate pressure[39]

前體飛行器是阻力的重要來(lái)源。表2給出了前置體的阻力占傘衣張滿狀態(tài)下的整體阻力的百分比，隨著馬赫數(shù)的增長(zhǎng)，前置體所占百分比逐漸增多。

表2 前置體阻力貢獻(xiàn)比率[29]

王海濤等開(kāi)展了尾流對(duì)穩(wěn)定傘彈射拉直的影響分析，如圖38所示。如果不考慮尾流影響時(shí)約0.7 s 完成穩(wěn)定傘的彈射拉直，而考慮尾流影響時(shí)則需要約0.9 s 才能完成。

圖38 傘包相對(duì)航天器位移變化(Ma=1.5)Fig.38 Displacement movement of parachute bag relative to spacecraft in the second instance (Ma=1.5)

4 結(jié)論

超聲速降落傘技術(shù)是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，本文針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在工程應(yīng)用要求、基本特性和關(guān)鍵技術(shù)等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

1)降落傘在超聲速條件下的應(yīng)用，雖有技術(shù)難度，但是隨著航空和航天技術(shù)的高速發(fā)展，具有強(qiáng)烈的應(yīng)用需求，成為推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)從亞聲速向超聲速跨越的動(dòng)力。

2)超聲速降落傘與亞聲速降落傘在設(shè)計(jì)方法、工作環(huán)境和技術(shù)要求上均有不同，超聲速降落傘需要針對(duì)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行新設(shè)計(jì)。

3)在總體方案論證時(shí)需對(duì)超聲速降落傘技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和收益進(jìn)行慎重比較和充分分析，具有較大應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)難題，建議通過(guò)開(kāi)展總體優(yōu)化控制風(fēng)險(xiǎn)，降低應(yīng)用難度。

4)基于目前技術(shù)水平，降落傘允許的最高工作馬赫數(shù)不超過(guò)3.0。工作馬赫數(shù)越高，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)越大，建議以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的馬赫數(shù)1.2～ 1.8作為應(yīng)用起步。