航天器着陆缓冲技术研究进展

航天器着陆缓冲是所有需要着陆的航天器完成整个飞行程序的最后一个环节,该技术最终实现航天器的无损着陆,是后续载人和深空探测的重要关键技术之一,其工作结果往往会影响整个任务的成败。该技术的核心内涵是冲击过程中,航天器通过气、液、固等多种形式的介质的形变,吸收着陆冲击过程中的能量,使被缓冲目标的过载值满足目标值要求。基于能量传递过程,围绕航天器自身主动吸能以及冲击介质能量吸收两个维度对能量传递路径进行了分析,给出了主动吸能阶段设计的原则。结合典型航天器缓冲吸能设计的应用进行了分析,给出了各类缓冲吸能设计的准则。最后围绕航天器着陆缓冲技术内涵,对该技术的关键技术进行了梳理,围绕后续该技术在航天任务中的应用进行了展望。

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。

我国载人航天器回收着陆技术发展

载人航天工程推动了我国载人航天器回收着陆技术的长足发展,基本形成了我国载人航天器开伞点控制、多模式程序控制、高可靠减速与高效着陆缓冲的回收着陆技术体系。文章论述了我国在载人航天工程中开发的载人航天器回收着陆技术及其应用情况。展望后续空间站运营及载人月球探测任务,建议发展大型群伞减速技术,提升大载重返回舱回收的能力;发展大载重缓冲气囊技术,提升返回舱无损着陆能力;发展大型翼伞精确定点回收技术,提升返回舱着陆精度;发展进入减速与着陆数值模拟技术,提高降落伞开伞过程和舱伞组合体动力学仿真能力;开展进入减速新手段、新方法的研究,发展充气式再入与减速技术。

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。

第十届进入、减速、着陆与上升(EDLA)技术全国学术会议征文通知(第二轮)

2022年8月(暂定),中国宇航学会返回与再入专业委员会将在甘肃兰州(暂定)召开第十届进入、减速、着陆与上升(EDLA)技术全国学术会议。一、征文主题专题1:EDLA新技术及发展战略研究--中国航天强国建设与EDLA技术发展战略;航天器可重复使用技术发展及应用研究;地外天体着陆、起飞技术发展;超声速气动减速技术发展;EDLA技术领域的新理论、新技术与新方法.

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。

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。

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。

航天器降落伞回收系统典型故障案例浅析

降落伞回收系统关系到航天器安全着陆的成败,必须确保可靠工作。将降落伞回收系统的工作过程归纳为开伞控制、弹射分离、拉直、充气、稳降、多级伞工作转换、群伞同步工作、备份降落伞切换、转换吊挂、吊挂物分离、着陆后工作等11个典型工作环节。结合这些工作环节,对国内外降落伞回收系统的典型故障进行了梳理和分析,可为航天器降落伞回收系统的研制提供参考。

柔翼结构飞行器智能控制系统关键技术与途径

柔翼结构飞行器具有轻质、空间集成、重复使用、有较大的阻力面积和升力系数等优点,可实现巡航飞行、低速驻空、再入返回、气动减速、定点归航、着陆缓冲等功能,是当前的研究热点。智能控制系统是柔翼结构飞行器飞航与回收着陆系统的核心技术之一,结合智能技术在控制系统中的应用研究与工程实践,对柔翼结构飞行器智能控制系统及其技术特征进行了分析;介绍了刚-柔组合体一体化控制与仿真、环境感知与健康状态在线评估、航迹规划与跟踪飞行控制、集群飞行控制、着陆与缓冲智能控制、智能硬件容错与重构等关键技术。对柔翼结构飞行器智能控制系统的未来发展进行了思考,提出了飞行环境的智能及柔性感知、气动参数的在线识别、多任务模式自主执行及控制系统的演进学习等发展建议,通过对智能控制技术持续不断地研究与实践,为柔翼结构飞行器系统的研制提供强有力的支撑。

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。

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。

火星降落伞柔性连接技术力学特性

作为火星探测器减速着陆过程中必须的气动减速系统,火星降落伞对小质量、大承载连接构件的需求日益增长。针对该需求,提出一种新型的柔性连接技术,旨在降低柔性织物磨损和系统质量的同时提升连接构件的载荷承载能力。研究过程采用两步数值建模分析结合试验验证的方法,采用集中参数法构建柔性连接的动力学模型;将动态仿真结果参数作为有限元的边界条件,分析各连接点处的接触状态;结合试验数据对降落伞减速系统的强度进行验证,数值模拟结果与试验数据一致性良好。研究结果表明:相比于金属构件,柔性连接技术使得降落伞连接强度提升了1.73倍,质量减轻了62.8%,接触位置的应变随开伞速度的增加而变大;新型柔性连接装置能够承受火星环境的开伞载荷,可为火星降落伞的设计提供重要参考依据。

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。

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。

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。

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。