载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析

2013-09-19程克明

载人航天 2013年4期

郭斌，左光，程克明，陈冲

（1南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016；2中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

1 引言

自2011年美国航天飞机退役以后，目前可以执行天地往返任务的载人航天器只有俄罗斯的“联盟”号飞船和我国的神舟号飞船。为改变这一现状，美、俄等国都在加紧研制新一代载人飞船预计在2018年前后具备飞行能力。世界各国升级换代后的新一代多用途飞船，在总体设计理念上发生转变，采用模块化设计理念，扩大任务覆盖范围，任务目标以国际空间站和载人登月等任务为核心，覆盖近地轨道和载人深空往返运输任务的需求；采用可重复使用设计理念，进一步降低航天运输成本；此外进一步增强了任务安全性、可靠性方面的设计；采用新型的反推发动机着陆回收方案，可以大限度的实现着陆减速，提高飞船的可重复使用率，进一步实现飞船的定点着陆功能。

气动减速装置作为回收着陆系统的关键组件之一，其工作性能的可靠与否关系到整个航天器回收着陆的成败。目前，使用最为广泛、技术最为成熟的地球再入气动减速装置为降落伞系统。神舟号飞船和“联盟”号飞船主要选用的气动减速装置就是降落伞系统，并在着陆前1m高度点燃固体火箭发动机，旨在降低最终的着陆速度。降落伞用织物材料缝制而成，质地柔软，包装后体积小，在空中展开后可以获得比原包装状态大数百倍的阻力面积；同时具有结构简单、减速高效、工作可靠和成本较低的特点，因此被广泛应用于各种返回式航天器。然而，深空探测任务的开展，载人飞船规模的不断加大，返回舱再入返回的质量越来越大。如果单纯依靠降落伞减速，即便是群伞技术也面临伞舱体积过大、伞衣材料强度要求提高、伞衣整体质量增大、伞衣包装难度加大和降落伞拉直技术难度增大等一系列问题。

本文借鉴国外在研载人飞船的研制方案，提出一种新型的减速方案，将反推发动机与降落伞配合使用，以实现返回舱的有效制动着陆。由于发动机安装位置、点火高度等对其性能参数会产生较大影响，[1][2]本文主要对载人飞船反推发动机进行反推减速这一方案进行分析，估算反推发动机的主要性能参数，初步验证其可行性，也为将来实现定点着陆奠定了良好的基础。

2 国外新型载人飞船利用反推发动机实现制动着陆的可能性

2.1 Space X Dragon反推着陆方案设想

Dragon是美国空间探索技术公司（Space Exploration Technologies，Space X）为NASA商业轨道运输服务（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）项目开发的可重复利用的新型载人飞船。

Dragon飞船后期将单独配备逃逸发动机Super Draco，在飞行过程中不用抛掉，可用于发射段全过程的逃逸救生，从而进一步提高飞船的安全性。未来Dragon的设计团队希望可以利用逃逸发动机进行着陆反推，并以此实现精确定点着陆，如图 1所示。Dragon飞船的这种设计体现了国外新一代飞船先进的整体系统集成优化的理念，（如图2所示）代表了未来新一代飞船发展的趋势。

图1 Dragon飞船利用发动机反推着陆

图2 Dragon飞船优化设计

Super Draco发动机为发射段逃逸救生而研发，目前已经完成地面试车试验，如图3所示。由于其推力可以进行深度调节，因此完全具备执行着陆反推的能力。表1给出了Super Draco［j2］发动机的基本性能参数表。

图3 Super Draco发动机地面试验

表1 发动机性能参数表

2.2 PPTS反推着陆方案设想

PPTS载人飞船，是俄罗斯航天局提出设计的新一代航天飞船（如图4所示），其在继承联盟飞船的基础上引用了多项先进技术，其中重大改进就是在着陆回收过程中采用了反推发动机。

PPTS飞船提出的新着陆方式，是利用固体推进剂发动机的火箭辅助着陆作为航天器返回地球的一个主要方案，在回收着陆段使用反推发动机减速。具体方案也经过了多次修改。在最初的设想中，PPTS飞船将完全依靠反推发动机进行精确着陆，具体步骤为先抛掉防热大底，露出着陆发动机喷管和着陆腿，飞船在反推发动机工作后，使用着陆腿降落（如图5所示）；在应急状态下抛掉反推发动机在内的软着陆装置，减轻返回舱质量后再使用小型降落伞实施着陆。这种方案的优势是既可以利用反推发动机进行精确着陆，也可以在反推发动机出现问题时使用降落伞的应急预案，增大了返回舱的安全可靠性。但之后的方案设计中PPTS飞船可能使用一个降落伞和火箭发动机联合的制动着陆方案。

船载反推发动机有可能使用清洁能源（酒精），但现在固体发动机依然被认为是针对PPTS飞船制动着陆系统最可行的方案。目前反推发动机装备了多重喷管（multiple nozzles），以便实现降落过程中的变推力。喷管上的偏转控制装置可以实现推力调节，同时固体发动机本身也保留了一个固定的方向。

图4 PPTS设计概念图

图5 PPTS着陆缓冲火箭减速着陆

2.3 小结

上述两种在研的载人飞船在着陆回收方面都提出了用自身动力系统实现减速制动。其中，Space X公司的Dragon完全依靠反推发动机减速，同时还兼具定点着陆的功能；PPTS在初期只考虑了反推发动机减速，但在后期设计中提出了降落伞和火箭发动机联合的工作方案，并提出了当反推发动机无法正常工作的紧急状态下抛掉着陆推进装置的应急预案。

总体来看，在回收着陆段利用自身动力反推将弥补由于返回舱规模增大而带来降落伞规模增大所引发的一系列问题，也为将来实现定点着陆奠定了良好的基础。

3 传统载人飞船利用反推发动机实现制动着陆的方案设想

3.1 方案设想

为了适应深空探测及空间站运营维护等后续任务，载人飞船规模会不断加大。因此利用返回舱上的反推发动机进行制动缓冲是载人飞船发展趋势之一。结合国外载人飞船的研制经验，本文提出了在载人飞船返回舱上配置反推发动机的方案设想。

目前来看，利用反推发动机进行减速着陆有以下三种技术途径进行选择（如表2所示）：

表3给出了三种方案反推发动机需要提供的速度增量以及主伞、减速伞的情况。从上述方案中可以看出，方案三反推发动机工作时间最长，推进剂需求量最大，且需要主伞、减速伞备份，与方案一相比没有质量方面的优势，与方案二相比又需要消耗更多的推进剂；方案二增加了主伞，而且需要减速伞备份，同时发动机提供的速度增量较大，而且还需要两次点火，此外降落伞和反推发动机交替工作，对与飞船姿态控制而言难度较大。本文是按方案一进行初步分析的。

3.2 反推发动机性能估算

表2 着陆回收方案对比

表3 各方案使用降落伞情况介绍

本节利用工程估算方法对反推发动机性能进行估算，内容包括反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态以及反推发动机安装位置等，并研究上述参数对发动机推力大小和工作时间的影响。

反推发动机在不同高度点火，决定了反推发动机要提供不同的速度增量以及不等的工作时间。高度越高，反推发动机的工作时间越长，但推力相对较小。

反推发动机在载人飞船上布置位置不同，会对所需推力大小产生较大影响。本次估算参照Space X的侧面布局以及PPTS底部布局。由于侧面布局的发动机与载人飞船中轴线呈一定夹角（本文暂定30°夹角），因此对同类型发动机来说，侧面布局的有效推力小于底部布局。载人飞船参数选择Space X公司的Dragon飞船相关参数进行计算，具体参数如下：

表4 大气密度参数表

表5 载人飞船参数选择对照表

返回舱从10km开始垂直下落，此时返回舱所受气动力全部为气动阻力。当气动阻力与重力相抵时，达到恒定速度V，即：

由此，得出不同高度对应的恒定速度，见下表：

表6 载人飞船飞行速度对照表[j5]

由上表及有关计算公式可以得出不同高度下反推发动机工作推力、工作时间以及推进剂的消耗量：

从图6中可以看到，反推发动机点火高度越高，所需要的推力越小，发动机工作时间越长，所消耗的推进剂越多。其中反推发动机在侧面布局，1km高空点火时所需推力最大，大约为12.4kN；5km高空点火时所消耗的推进剂最大，约为1805kg。发动机在底部布局，1km高空点火时所消耗的推进剂最少，大约为592kg；5km高空点火时所需推力最小，大约为6.9kN。