航天器着陆缓冲气囊技术发展

文章简述了航天器着陆缓冲气囊的吸能工作机理,介绍了它的优点和局限性,结合数十年来缓冲气囊在航天器上的主要应用情况,归纳了着陆缓冲气囊的三种类型,包括排气式、密闭式和组合式,其中排气式气囊由被动排气发展为主动精确可控排气,并介绍了缓冲气囊的几种拓展应用方向。针对航天器缓冲气囊技术的发展,文章对可靠充气技术、高性能气囊材料及结构成型技术、基于缓冲特性仿真的优化设计技术、缓冲过程精确控制技术以及大载重气囊试验技术等关键技术进行了论述。可以预见,航天器着陆缓冲气囊技术的深入研究对于载人航天、深空探测的发展将发挥更加重要的作用。

深空大载荷航天器软着陆气囊制造技术

结合火星全向软着陆气囊构型及高强度性能要求,研究了深空大载荷航天器软着陆气囊制造技术。以涂覆Vectran囊体材料,运用缝纫、热合等制造工艺分别设计了不同的搭接面结构,通过缝纫和热合的工艺控制过程对9种结构搭接面的力学性能、气密性能开展测试,结果表明:组合式叠缝(20 mm)搭接面构型最优,强度效率高达85.9%。将该搭接面结构应用于深空大载荷飞船软着陆气囊,通过飞船投放回收着陆试验,结果表明:试验效果良好,试验中模型着陆稳定,无侧翻及明显反弹;试验后检查气囊和模型均结构完好,没有出现破损现象,验证了该搭接面构型用于深空大载荷航天器软着陆气囊制造的可行性。

大质量航天器气囊着陆缓冲过程研究

针对新型载人飞船返回舱和运载火箭子级等大质量航天器的着陆回收需求,对具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统进行了研究。文章介绍了气囊着陆缓冲系统的工作原理;分析了具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统的组成及工作过程;建立了气囊着陆缓冲系统的有限元模型,并对其缓冲着陆过程进行了仿真分析,仿真分析表明缓冲过载可控,着陆姿态稳定,满足大质量航天器着陆回收需求。通过建立地面试验系统,完成了带模型的气囊着陆缓冲系统的垂直工况投放试验。投放试验结果表明,主动排气控制工作正常,能够有效耗散能量,模型和缓冲气囊均结构完好,无侧翻和明显反弹,试验数据与仿真结果验证了气囊结构的设计正确性。研究结果表明,具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统,能够满足大质量航天器的垂直着陆回收需求。研究结果对大质量航天器着陆回收技术的发展具有一定参考意义。

航天器柔性主动展开技术与应用进展

针对柔性主动展开技术在航天领域应用过程中的关键问题,调研了航天器柔性主动展开技术的应用现状,并从功能特性和展开形式对航天器柔性主动展开装置进行了分类。通过对航天器柔性主动展开装置工作过程中关键环节的剖析,明确了航天器柔性主动展开技术的技术内涵,归纳形成了折叠包装技术、柔性结构展开过程动力学分析、刚-柔耦合系统动力学分析等技术难点与关键技术。之后,对柔性主动展开技术在基础技术理论方面的关键技术进行了分析总结,梳理了柔性主动展开技术在相关领域广泛工程应用还需攻克的关键技术难题,并对相关研究方向的发展提出了建议,以期能牵引相关技术方向的发展。文章最后,对柔性主动展开技术在各应用领域的应用前景和技术发展进行了展望。

面向航天回收装备的大变形柔性传感器研究与应用(二)——大应变传感器

在极端环境条件下,受温度、压力、速度等因素影响,具有柔性和大变形特征的航空航天装备极易发生故障,因此研发相应的大变形柔性传感器以对其服役状态下的应变、曲率、气动外形等参数进行实时监测面临巨大的挑战。文章面向具有柔性和大变形特征的航天回收降落伞,设计了大变形柔性应变传感器(简称大应变传感器),研究结果表明该大应变传感器在高达35%的应变范围内保持了优异的线性度(拟合优度>0.999)。文章还进一步探索传感器在降落伞的伞衣、伞绳、径向带等部位的集成方案并进行系统性测试,通过航天降落伞地面高塔投放试验和风洞试验的示范应用,有效地获得降落伞的变形状态信息,这对降落伞的结构设计优化与实时控制具有重要意义。

国外载人航天器回收降落伞包伞技术研究

包伞是降落伞工作前最重要的实施环节,包伞质量决定了回收系统的工作成败。以阿波罗飞船主伞包伞情况为基线,通过区分伞包形状和组成材料,对猎户座飞船和阿波罗飞船的5个降落伞包伞实例进行了分析,通过固态密度对降落伞包伞情况进行了评估,探讨了全芳纶材料降落伞包伞密度极限情况。通过更换降落伞材料和优化收口装置设计,能够降低包伞压力,提高包伞密度,适应火工弹射的要求,因此采用芳纶等密度较大的织物材料和采用织物收口环是提高包伞技术的有效手段。

面向航天回收装备的大变形柔性传感器研究与应用(一)——曲率传感器

以降落伞和着陆缓冲气囊等为代表的部分航空航天装备具有柔性和大变形的特征,工作过程中可能在短时间内形状变化剧烈且不完全规则,这些装备能否正常运行决定着整个任务的成败,因此对其服役状态下应变、曲率、气动外形等参数进行实时监测至关重要。文章面向具有柔性和大变形特征的航天着陆装备,研究大变形柔性曲率传感器(简称曲率传感器)的设计和性能,该曲率传感器量程达到了0.17mm–1并在测量过程中保持了优异的线性度(拟合优度>0.999)。文章还进一步探索了传感器在航天着陆系统上的集成方案与示范应用,通过对缓冲着陆气囊不同特征点的曲率进行监测,有效地对其整体轮廓进行表征,准确记录装备的充气、漏气和冲击变形状态信息,对航空航天装备的结构设计优化与实时控制具有重要意义。

航天器海上伞降回收技术发展与展望

对海上伞降回收的国外发展情况、关键技术以及我国开展海上伞降回收的研究基础和展望进行了介绍。目前,美国是采用海上伞降回收最多的国家,已经成功完成了多种型号飞船返回舱、航天飞机助推器以及整流罩的海上伞降回收。根据航天器海上伞降回收的方案,海上伞降回收的关键技术可分为降落伞气动减速、航天器着水冲击、航天器姿态调整、海上标位以及海上救援回收。基于我国现有的研究基础和技术储备,我国开展海上伞降回收已经具备一定的条件,可为我国未来海上伞降回收的开展提供较好的支撑。为建立完整的海上伞降回收体系,仍需解决航天器海上空投试验以及高海况海上综合试验、海上救援回收体系搭建、溅落海区的选择以及大质量航天器群伞减速技术等问题。

返回式航天器水域回收用浮囊制造技术

结合某种返回式航天器水域回收用浮囊构型及高强度的性能要求,为了保证航天器完成飞行任务返回时着水后总体结构的完整性,文章重点研究一项水域回收用航天器浮囊制造技术。该技术以FL-131聚氨酯胶布为材料,制造工艺采用高频板式高温熔接。经25mm宽样条试验测试,材料样条抗拉强度达到2.56MPa,材料强度参数满足浮囊制造要求;运用中心辐射式布置裁剪线设计裁片保证材料成形精度,整囊充压到8kPa,整体无褶皱,囊体表面各向尺寸精度偏差不大于1mm(每500mm),浮囊安全充压指标达到40kPa,具有良好的气密性和耐压性。在拟真工况下进行的地面出舱试验显示,浮囊可顺利实现充气、展开、出舱,无破损与漏气,验证了该种技术用于返回式航天器水域回收用浮囊制造的可行性。

柔性可展开气动减速技术研究

柔性可展开气动减速技术是航天器进入大气环境后进行进一步减速的、最终实现无损着陆的关键技术,是载人航天、登月返回和火星探测等重大航天任务的支撑技术之一,其研究具有重要的理论价值与工程意义。文章首先基于地球大气不同高度的应用场景,对柔性可展开气动减速在地球及地外空间的拓展应用进行了阐述,进而对柔性可展开气动减速器进行了分类介绍,总结了柔性可展开气动减速技术的发展现状。最后在理论层面分析总结了柔性可展开气动减速技术的内涵,以及涉及的空气动力学、柔性结构动力学以及流固耦合等关键的力学分析技术,并根据研究现状和关键技术,对柔性可展开气动减速装置在未来的应用和技术发展进行了展望。

轻小型高可靠回收控制器设计与实现

针对某商用返回式卫星回收系统轻小型、高可靠的约束要求,设计了一种新型回收控制器产品,该装置基于微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)过载传感器进行弹道过载测量,采用双核四进程“与或”逻辑实现冗余控制,基于容性释能半导体桥点火器起爆技术实现火工品管理。策划了针对返回过程的弹道过载触发验证试验,针对容性释能电容阵列放电特性,开展了容性释能系统不同初始电压、不同电容阵列容值以及不同回路阻值下的点火效能仿真分析。结果表明该回收控制器在轻小型约束下返回弹道过载感知精度达到±0.28 g,可实现开伞逻辑高可靠控制。半导体桥点火器容性释能电路优化参数为初始电压大于24 V、回路阻值小于0.3Ω、初始电容大于22μF,可实现点火器高可靠点火控制。该设计在不显著增加硬件基础上,大大降低产品质量,可为航空航天用同类电子系统设计提供参考。

火星低密度大气条件下超声速降落伞充气过程研究

降落伞充气过程是火星探测器着陆过程中最为关键的环节,该文推导建立了考虑火星稀薄大气环境、超声速工作条件的降落伞充气过程计算流体动力学和结构动力学模型,流场求解采用可压缩流场模型,结构动力学采用伞系统多节点质量阻尼弹簧模型,通过计算得到某时间节点处的流场,将该流场中的压力数据引入伞系统质量阻尼弹簧模型,从而获得下一时间节点的伞衣形状,最后得到充气过程中伞衣形状和流场之间的动态关系,从而模拟了在这种条件下的降落伞充气过程。将仿真计算结果与飞行试验结果进行对比分析,两者的一致性很好,证明了所建立的数学模型的正确性。研究表明:开伞动载达到峰值后有明显的振动,振动频率只与降落伞自身特性有关;伞衣张开的速度呈现出先慢后快的特点;在初始速度相同的情况下,随着大气密度的增加,开伞动载峰值增大;在初始动压相同的情况下,随着大气密度的增加,开伞动载峰值减小。

充气式返回舱化学非平衡仿真分析

采用空气五组分模型对充气式返回舱的气动特性进行了化学非平衡数值模拟研究,考察了返回舱外形变化对流场温度和压力的分布以及壁面热流密度和压强的影响,分析了流场中组分分布情况。研究结果表明,外形变化在总体上对返回舱流场特性影响较小,会使舱体壁面处的热流密度有所增加;对流场组分分布的研究发现,由于N 2比O 2更难解离,在整个流场中N的摩尔分数远低于O的摩尔分数;在目前的计算条件下,沿轴线和壁面的氮氧比与来流基本保持一致。仿真结果在总体上与实验结果符合较好,验证了仿真模型的可靠性。

不同操纵方式对十字伞滑翔性能的影响研究

为拓展十字伞的应用场景,提高十字伞的滑翔能力,采用数值模拟手段研究不同操纵方式对十字伞滑翔性能的影响。方法一是从伞绳收口的角度,通过对十字伞的伞绳进行不同程度的收口形成角空气喷口,达到操纵十字伞的目的;方法二是从改变伞衣几何透气性的角度,通过加装排气扰流板并使其偏转不同的角度,达到操纵十字伞的目的。数值结果表明:角空气喷口中的伞绳收口程度对十字伞俯仰角的变化影响较为显著,十字伞俯仰角最大可达2°;排气扰流板的偏转角度则对十字伞侧向力的影响较为显著,在偏转角达到30°时,侧向力达到最大,为47.3 N。2种操纵方式均能够使十字伞具备一定的滑翔能力。

环帆伞技术与发展综述

环帆伞具有开伞可靠、开伞冲击小和伞衣抗损伤能力强的特点,已广泛应用于载人航天回收系统。为全面了解和跟踪环帆伞技术的发展,特别是了解和掌握基于群伞使用的大型环帆伞技术,文章通过分析环帆伞的结构特点,总结环帆伞在航天领域的成功应用经验,证明环帆伞是大型降落伞,尤其是载人航天群伞技术的首选伞型。同时文章还对环帆伞的设计改进过程进行了回顾,包括伞衣侧剖面形状、伞衣上下缘张满度、透气量、使用材料、加工工艺和包伞技术。最后对群伞使用情况进行了探讨,尤其是开伞不同步的问题,并提出了提高充气同步性的建议,这对于中国新一代载人飞船群伞技术的研究具有重要的参考意义。

可重复使用新型着陆缓冲装置设计

着陆缓冲技术应用于各类飞行器着陆时吸收机械能,降低着陆冲击过载,最终使飞行器以一定的着陆姿态安全地着陆在星表。随着载人深空探测任务的深入,引发了一次任务多次着陆的需求,进而对着陆缓冲提出了的可重复使用的新要求。由此开展了一种新型油气式的可重复使用着陆缓冲装置研究,该装置可以兼顾地外天体着陆和地球返回着陆需求。文章首先详细介绍了该设计的组成及工作原理;随后分析了缓冲机理,对缓冲力的组成及计算表达进行了详细说明;基于多体动力学软件建立了多刚体系统动力学模型,在此基础上开展了5种典型工况的仿真分析和计算。经过计算,最大缓冲行程不大于0.3m,最大加速度过载不大于8gn,能够承受1m/s的水平速度。综上,该载人飞船着陆缓冲装置能够满足多次着陆缓冲及过载等要求,相关设计可以作为新一代载人飞船着陆缓冲设计的参考。

新一代载人飞船试验船回收着陆系统任务特点分析

近年来,美、俄等国均在加紧研制功能和性能更强的新一代载人飞船,瞄准载人深空探测、空间站服务、深空居住等多个领域的应用,主要包括美国国家航空航天局(NASA)的“多用途乘员飞行器”(MPCV)、太空探索技术公司(SpaceX)的“载人龙”飞船(Crew Dragon)、波音公司(Boeing)的“星际客船”(Starliner)飞船以及俄罗斯与欧洲合作研制的新型“未来载人运输系统”(PPTS)。在着陆方式上,“多用途乘员飞行器”和“载人龙”飞船选择了以倾斜姿态水面直接溅落的方式,而“星际客船”的气囊缓冲方案则能够同时适应着陆和着水两种方式[1-2]。

月球着陆器着陆缓冲展开锁定机构设计与分析

月球着陆器着陆缓冲机构是月球着陆探测的关键部件,其展开锁定过程为一拓扑结构变化的过程。由于该过程较为复杂,研究方法多采用试验研究,而对于其内在运动特性分析不够深入。为了量化分析着陆缓冲机构展开锁定拓扑变化过程,评价设计的正确性,获得其运动过程中的机构运动特性,需要开展机构动力学分析。文章采用奇异性分析法,建立展开锁定机构拓扑图并进行了机构的奇异性分析,获得了该机构的奇异性,证明了设计的正确性。在此基础上,基于ADAMS软件建立了着陆缓冲机构虚拟样机模型,分析了整套机构的运动学特性,获得了展开过程相关运动参数,试验结果与分析结果一致。研究结果表明,该展开锁定机构展开过程平稳、无奇异点、可靠性高,研究结果可作为后续工程化参考。

新飞船试验船气囊着陆缓冲系统特性研究

缓冲气囊是继着陆腿及反推发动机之外,另一种行之有效的着陆缓冲装置。新一代载人飞船采用群伞加缓冲气囊的无损回收方案,实现了其重复使用的目的。文章对新飞船试验船缓冲气囊的选型及参数的确定原则进行了分析,介绍了气囊着陆缓冲系统的设计状态、工作程序以及缓冲过程的排气控制策略。通过建立地面试验装置和测量系统,对缓冲气囊的性能进行了验证。结果表明:具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统缓冲过载达到预期,无侧翻和明显反弹,着陆稳定性满足要求。试验船缓冲气囊的设计理念和设计方法可以为其它大载荷航天器和大载荷空投着陆缓冲气囊的设计提供依据和参考。

折纸技术在空间结构中的应用和发展

从传统折纸艺术中获取灵感的折纸技术广泛应用于工程领域,便携性、可展开性、小型化和轻量化等优点奠定了其应用于空间结构领域的基础。文章对折纸技术进行了分类:平面折纸具有丰富的折叠形式和大折展比,为空间折展机构提供灵活的单自由度展开方案;圆筒折纸能够产生简便有效的压缩方案,为空间充气展开结构提供形式多样的刚性支撑;折纸镶嵌是折叠芯材和超材料的基础结构,具有质量小、比刚度/强度高、缓冲吸能等特性,以及良好的可设计性和可加工性,是未来空间结构的新选择。文章对空间折纸技术的应用形式和关键技术进行了归纳和总结,并提出了未来发展的思考和建议。