逯运通 张旭辉 李青 张正峰 黄俊 邢立坤

返回器着陆缓冲技术途径综述

逯运通 张旭辉 李青 张正峰 黄俊 邢立坤

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

返回器在着陆或着水瞬间将受到一定的冲击载荷，为了保护宇航员及器上产品的安全，返回器需要具备着陆缓冲能力。文章对返回器当前主流的着陆缓冲方式进行了分析和比较，包括主结构着陆缓冲、海面溅落式缓冲、气囊式着陆缓冲、反推发动机着陆缓冲等，并对月地高速再入返回飞行器、MPCV和CST-100等典型返回器的着陆缓冲设计及验证进行了分析；另外，还对着陆腿式着陆缓冲、反向重构式着陆缓冲、充气隔热罩着陆缓冲等返回器新型着陆缓冲方式进行了详细介绍。对返回器的各种着陆缓冲方式进行了分析、归纳和比较，并根据分析结果给出了返回器着陆缓冲途径研究的启示与建议。

返回器 着陆缓冲 着陆冲击 航天返回

0 引言

返回式航天器（简称返回器）历经高速再入返回飞行，最后在地面或者海面上着陆。由于返回器通常携带采样样本、有效载荷或搭载宇航员，同时部分设备在着陆后仍需要继续工作，因此其必须具备一定的着陆缓冲功能，以降低着陆冲击载荷的影响，确保返回器上人员或产品的安全。[1]

不同国家、不同任务的返回器着陆缓冲技术存在较大的差异，从实现方式来看，主要包括主结构着陆缓冲、海面溅落式缓冲、气囊式着陆缓冲和反推发动机着陆缓冲等技术。随着飞行任务的拓展及新技术的发展，返回器新型着陆缓冲技术也逐渐从概念设计走向应用，其中代表性的有着陆腿式着陆缓冲、反向重构式着陆缓冲和充气隔热罩着陆缓冲等。

本文针对上述国内外返回器的着陆缓冲技术进行了调研，介绍了一些典型航天器着陆缓冲技术的设计、仿真及试验情况，并进一步研究了着陆缓冲技术的发展，在横向分析对比的基础上，给出了返回器着陆缓冲技术发展的启示和建议。

1 传统返回器着陆缓冲技术途径分析

1.1 主结构着陆缓冲

（1）技术特点

主结构着陆缓冲方式是一种着陆地点为陆地，通过主结构和土壤相互作用来吸收返回器动能的着陆缓冲方式。其主要优点是返回器无需设计专门的着陆缓冲装置，功能相对简单，成本较低。但由于缺少专门的缓冲装置，着陆冲击载荷相对较大，在着陆冲击过程中主结构可能会产生变形，导致返回器无法重复使用。

图1 典型无人返回器着陆后的状态

采用主结构进行着陆缓冲是当前返回器最普遍的着陆方式，主要应用于无人返回器，典型的案例包括美国的“星尘号”、“起源号”、“奥西里斯号”，日本的“隼鸟号”系列，前苏联的“月球号”，中国的返回式卫星和月地高速再入返回飞行器等[2-9]；部分载人返回器的备选着陆方案也采用主结构缓冲方式，如美国的“阿波罗”飞船、MPCV等[10-11]。几个典型无人返回器着陆后的状态如图1所示。

（2）典型型号分析

我国月地高速再入返回飞行器采用的是典型的主结构着陆缓冲技术。其着陆缓冲设计基本思路为：1）采用防热和承力功能一体化大底结构设计，在轻量化设计同时，尽量提高大底刚度，在小缓冲行程的约束下最大程度的吸收着陆冲击能量；2）提高返回器结构着陆区域局部刚度，借助土壤吸能；3）对设备安装结构进行加强设计，保证安装设备的安全[12]。

为了验证着陆缓冲性能，月地高速再入返回飞行器开展了仿真分析和着陆冲击试验。仿真分析采用LS-DYNA 软件建立返回器着陆冲击动力学分析模型，包括返回器模型和土壤模型，两者的相互作用采用典型的弹塑性模型和可以压溃的泡沫模型进行描述。分析模型如图2所示[1,12]。

月地高速再入返回飞行器开展了着陆冲击过程能量吸收方面的研究，发现土壤是返回器冲击能量吸收的主体，占到了总能量的55%以上，结构吸能比例仅为30%左右。此种能量分配方式避免了返回器主结构发生较大破坏，有助于保证返回器的安全，但载荷和部分器上设备需要较高的抗冲击能力[12]。着陆冲击试验采用平行四边形摆杆机构来投放返回器，返回器在着陆前获得要求的水平速度和竖直速度，随后返回器在预定区域着陆[1]。通过着陆冲击试验对仿真分析模型进行了修正，以水平着陆速度10m/s、垂直着陆速度13m/s的工况为例，着陆冲击试验和仿真分析中典型位置的加速度响应如表1所示[12]，测量点位置如图2所示。

图2 月地高速返回飞行器的着陆冲击分析模型

表1 返回器典型位置的加速度响应

Tab.1 The acceleration response at the typical position of the reentry capsule

1.2 海面溅落式缓冲

（1）技术特点

海面溅落式缓冲是一种返回器着陆地点为海洋、通过主结构和海水相互作用来吸收返回器动能的着陆缓冲方式。其优点是海水刚度远低于地面，着陆冲击载荷更小，器上载荷和宇航员不容易受到损害；另外，由于海上着陆冲击载荷较小，载人返回器不必配置反推发动机、着陆缓冲装置等产品，降低了返回器的复杂程度，节省了质量。但相对于陆上回收，海面回收投入相对较高且返回器在海水中浸泡会受到盐蚀影响，不利于修复和重复使用。

目前，大部分美国载人返回器采用海面溅落的方式进行着陆回收，比较典型的航天器包括“阿波罗”、MPCV、“龙飞船”等[13-16]；部分载人返回器的备选着陆方案也采用海面溅落方式，如我国的“神舟”飞船[17]。

（2）典型型号分析

美国的MPCV乘员舱采用的是典型的海面溅落着陆缓冲方式。其着陆缓冲设计基本思路为：1）通过仿真优化，寻找乘员舱最优入水姿态，最大限度的降低乘员舱的着水冲击过载；2）采用2级着陆缓冲（返回器着水缓冲+宇航员座椅缓冲），以达到降低宇航员承受冲击载荷的目的。

为了验证乘员舱的着水缓冲性能，开展了仿真分析和着水冲击试验。MPCV使用LS-DYNA软件针对着水冲击开展了大量的仿真分析，乘员舱的着水分析模型为典型的流固耦合模型，包括乘员舱模型、空气模型和水模型，采用光滑质点动力学法（SPH）进行求解，得到乘员舱的运动轨迹和着水冲击响应。根据分析结果可知，在乘员舱器以27.5°倾角着水时，质心位置的冲击加速度最小，可以控制在5n之下，这也是乘员舱的标称着水倾角。图3为乘员舱在27.5°入水夹角，水平速度14.0m/s，垂直速度12.5m/s的着水工况下入水的运动轨迹。[16-17]

图3 MPCV乘员舱典型着水工况下的运动轨迹

MPCV的着水冲击试验分为刚体模型的着水试验和真实模型的着水试验。前者主要是用于获取结构的冲击响应边界，后者用于获取真实的着陆冲击数据，并对乘员舱结构设计、缓冲座椅设计和舱内冲击过载环境等进行全面的考核和验证。

1.3 气囊式着陆缓冲

（1）技术特点

气囊式着陆缓冲是一种利用气囊的可压缩性来吸收着陆冲击能量的缓冲方式。其优点是成本较低、性能可调、技术成熟度高，对于着陆环境的适应能力较强，可以在斜坡或者小岩石的粗糙地形上稳定着陆，并且可以实现返回器的可重复使用；缺点是增加了系统的复杂度和质量。

（2）典型型号分析

随着商业航天和可重复使用返回器的发展，气囊缓冲系统已经成为了返回器着陆缓冲的重要选项。目前使用气囊式缓冲的返回器主要是美国的CST-100飞船以及中国的新一代飞船，猎户座飞船初期设计也采用了气囊式缓冲，不过后期由于质量原因放弃。CST-100返回器选择陆地为主选着陆场，海洋为备选着陆场，并配有气囊扶正系统。返回器的减速着陆过程如图4所示。

CST-100返回舱的缓冲气囊由6个圆柱状的外部气囊、6个内部气囊和一个中心气囊组成，如图5所示。陆上着陆时，中心气囊不工作，因为在陆地着陆时，中心气囊会降低返回舱着陆的稳定性。外部气囊由高压气瓶进行充气，有2个排气孔；内部气囊为密封型气囊，用于缓冲外部气囊缓冲后的剩余垂直速度，并且在有水平速度的情况下用于地面滑行。水面着陆时，中心气囊将被动展开，使返回舱与海面之间拥有更大缓冲空间。[18-19]

图4 CST-100返回舱的着陆减速过程

图5 CST-100的气囊缓冲系统

为了评估CST-100返回舱着陆缓冲性能，利用LS-DYNA软件开展了陆上和水上着陆冲击的瞬态动力学分析，建立返回舱的有限元模型，并描述了气囊的非线性特性。CAD 模型和有限元网格模型如图6所示。以垂直速度10m/s、水平速度6.2 m/s的陆地着陆工况为例，对CST-100返回舱着陆缓冲进行了仿真分析，并将仿真结果与CST-100研制人员开展的着陆冲击试验结果进行了对比（如图7所示）。图中T、T、T分别表示返回舱轴向（向）和返回舱横向（、向）的加速度响应测试结果，A、A、A表示仿真计算分析结果，试验结果与分析结果一致性良好。在该工况下，着陆时的向加速度响应峰值为10n左右，向和向为2n左右。[18-19]

图6 CST-100返回舱CAD模型和有限元分析模型

1.4 反推发动机着陆缓冲

反推发动机着陆缓冲是一种利用反推发动机向上冲量大幅减小着陆速度，进而有效降低冲击载荷的着陆缓冲方式。其主要优点是着陆速度是所有方式中最低的，着陆冲击载荷较小；缺点是增加了系统的复杂度和系统质量，且返回器在着陆后仍然由主结构承受最后的着陆冲击载荷，结构会产生一定的变形，无法重复使用。在陆地着陆的载人返回器通常采用反推发动机进行着陆缓冲，着陆程序如图8所示。

图8 典型反推发动机缓冲返回器的着陆程序

目前，采用反推发动机着陆缓冲方式的主要是中俄两国的载人返回器，其中比较典型的是俄罗斯的“联盟号”和我国的“神舟”飞船。其着陆缓冲设计基本思路为：1）通过反推发动机大幅降低着陆速度，最大限度的降低返回舱的着陆冲击过载；2）采用2级着陆缓冲（返回器大底结构缓冲+宇航员座椅缓冲），以达到降低宇航员承受冲击载荷的目的。[20]在着陆过程中返回器的力学特性与1.1节介绍的主结构着陆缓冲类似，仿真分析和试验方式也基本一致，只是初始着陆速度大幅降低，本节不再进行赘述。

2 新型返回器着陆缓冲途径

2.1 着陆腿式着陆缓冲

利用着陆腿进行着陆缓冲已经在地外星球着陆和运载火箭回收着陆中得到了广泛的应用，但应用于返回器的着陆缓冲技术尚处在概念设计阶段。俄罗斯和美国开展了返回器的着陆腿式概念设计工作。

乘员空间运输系统（CSTS）飞船是俄罗斯与欧洲合作研制的飞船项目，返回器装有着陆腿，在海拔600~800m处进行发动机点火，垂直下降后，在距地面30m处开始执行精确着陆，最后返回器采用4组着陆腿进行缓冲，每组缓冲腿包括两条支腿。在初始状态着陆缓冲腿折叠在飞船大底上方，抛掉大底之后着陆腿展开，在着陆瞬间实现对舱体的缓冲[13-14]。

在CSTS项目流产后，俄罗斯启动了“新一代有人驾驶运输飞船”（PTK-NP）的设计。PTK-NP飞船的推进式着陆系统在10m高度处启动，具有精密的推力控制及更强的控制能力。飞船底部安装有可折叠的着陆腿，用于缓冲返回舱的触地冲击过载，如图9所示。该返回舱可重复用于10次任务。[13-14]

美国SpaceX公司的“龙飞船”也设计了一种基于着陆腿的缓冲方式：先使用4台着陆反推发动机进行第一阶段的减速，随后将布置在返回舱底部的弹伸式着陆腿展开，完成最终的着陆缓冲，缓冲示意如图10所示。着陆腿的足垫实现了功能复用，其在着陆腿展开前作为大底防热层的一部分使用，在着陆时作为承力足垫使用，这种设计降低了系统的复杂度，在着陆腿展开前无需抛掉防热大底。[13-14]

图9 俄罗斯PTK-NP着陆腿式着陆缓冲示意

图10 “龙飞船”着陆腿式着陆缓冲示意

2.2 反向重构式着陆缓冲

目前国际上正在研究一种半刚性机械展开式气动减速技术，基本设计思路是其在返回器顶部支撑一个雨伞状结构进行气动减速，在发射时该机构为收拢状态，能够适应火箭整流罩的空间；着陆阶段，半刚性机械展开机构上的刚性防热鼻脱落，反推发动机点火减速，并且展开机构的气动面进行重新构造，辐条和连接杆向后折叠变成缓冲机构，可以在着陆过程中起到缓冲作用，如图11所示[21]。该机构主要应用于火星着陆，经过系统优化也可用于地球表面着陆。

2.3 充气隔热罩着陆缓冲

充气减速器是一种新型再入返回飞行器，在发射阶段，再入系统折叠包装在很小的容器内，在再入过程中，充气展开形成倒锥形结构，这种结构可以兼顾防热、气动减速和着陆缓冲。目前，充气式减速器已经由概念设计转为飞行验证。美国已经成功完成了飞行试验，并成功在水上溅落。当前主要的充气式减速器如图12所示。由于充气式减速器为充气结构，可以有效的进行着陆缓冲，在海上着陆还可以保持漂浮状态，容易进行回收。[22]

图11 反向重构式着陆缓冲的结构形式

图12 充气式减速器

3 返回器着陆缓冲途径综合分析

针对任务需求和国情特点，返回器的着陆缓冲方式多种多样，不同着陆缓冲方式比对如表2所示。近年来，无损着陆和可重复使用等任务需求对返回器的着陆缓冲性能提出了更高的要求；国际上也开始广泛研究了新的着陆缓冲方式，部分技术已经得到了验证。总体来看，返回器的着陆缓冲方式主要有以下特点。

1）降低返回器着陆冲击载荷和减少着陆缓冲系统质量是选择着陆缓冲途径最重要的2个选项，需要结合任务需求和任务约束进行综合性分析；对于无人返回器而言，返回器对于着陆冲击载荷不敏感，对于部分抗冲击能力差的设备或载荷可以采用局部缓冲设计和单机抗冲击环境设计来解决问题，无需采用系统级的复杂着陆缓冲方案，主结构缓冲方式最为合适；对于载人返回器而言，保护宇航员的安全是首要任务，因此需要首先考虑如何降低着陆冲击载荷，其次是如何降低系统质量。

2）返回器的可重复回收使用，对着陆缓冲性能要求严格，要求主结构实现较小损伤。海上着陆采用海面溅落式缓冲，有利于节约成本；陆地着陆需采用缓冲器，主要是气囊或着陆腿。气囊着陆可以兼顾陆地和海洋，具有较好的稳定性，CST-100返回舱的气囊已经完成了飞行验证；使用着陆腿着陆仍处于概念设计阶段，应用前景不明朗。

3）返回器着陆缓冲性能的验证主要采用着陆冲击仿真分析和着陆冲击试验相结合的方式，其中仿真分析主要是基于LS-DYNA等非线性动力学分析软件完成。

4）充气隔热罩着陆缓冲和反向重构式着陆缓冲是近年来发展的新型着陆方式，将减速、防热、缓冲等功能进行一体化设计，可以有效的节约着陆缓冲系统质量，实现系统的多功能复用，适用于无人探测返回器。

通过上面分析可知，为了实现着陆缓冲功能，返回器均需要付出一定的质量代价，部分返回器甚至较大程度提高了系统复杂度。笔者认为，返回器在返回地球后进行定点着陆是航天技术发展的必然，随着返回器定点着陆精度的不断提高，将着陆缓冲系统由器上转移至回收场，可以有效节省系统质量、降低系统复杂度和降低研制成本。例如，可以在返回器预定着陆区域铺设一个较大的气囊缓冲垫，返回器在返回地球后通过定点着陆方式直接降落到地面气囊缓冲垫上，从而实现返回器的着陆缓冲，而返回器本身无需设计着陆缓冲系统，地面的气囊缓冲垫也可以重复使用。

表2 返回器不同的着陆缓冲方式比对

Tab.2 Comparison of different landing buffers for the reentry capsules

4 结束语

通过对返回器着陆缓冲技术的调研与分析，得到以下启示：

1）返回器的着陆缓冲方式无墨定之规，可以广泛开启思路，借鉴一切可能的着陆方式，比如着陆腿式着陆缓冲在地外天体着陆和火箭回收已经得到了广泛的应用，气囊式着陆缓冲在火星上也得到了多次验证。

2）返回器在返回地球后进行定点着陆，是航天技术发展的必然，随着定点着陆精度的不断提高，可以考虑将着陆缓冲系统由器上转移至回收场，这样能够有效的节省系统质量。

3）根据当前的国情和技术水平，我国返回器的重复使用采用气囊式着陆缓冲最为合适，不仅可以继承陆地着陆的传统，无需更改再入返回轨道，又可以有效降低着陆载荷，能够实现无损着陆。

4）返回器的着陆缓冲通常考虑通过结构或者缓冲机构来吸能，土壤吸能通常被忽略，如何有效的利用土壤来吸收返回器的着陆能量是一个值得深入探讨的课题。

5）减速、防热、着陆缓冲的多功能一体化设计，可以有效的节约系统质量，是未来无人返回器的一个重要发展方向。

目前国际上已经广泛开展了新型返回器着陆缓冲方案的研制工作，部分技术已经得到飞行验证，建议我国尽快开展相关方面的研究工作。

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Study on the Landing Buffer Pattern of the Reentry Capsule

LU Yuntong ZHANG Xuhui LI Qing ZHANG Zhengfeng HUANG Jun XING Likun

（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China）

The reentry capsules would be subjected to a certain impact load at the moment of landing on the terrene or water. In order to ensure the safety of astronauts and products in the capsule, the reentry capsules should have landing buffer capability. In this paper, the main landing buffering methods of the reentry capsules are analyzed and compared, including landing buffering of the main structure, sea splash-landing buffering, landing buffering of the airbag, and landing buffering of the retrorocket. The design and verification of landing buffering of the typical reentry capsules including Circumlunar Return and Reentry Capsule, MPCV and CST-100 are described. The landing gear, reverse reconfiguration landing buffering and inflatable heat shield landing are also introduced. Finally, various buffering methods of the reentry capsules are compared and summarized. According to the analysis results enlightenment and suggestions on the research of landing buffer path of the reentry capsules are provided.

reentry capsule; landing buffer; landing impact; spacecraft recovery

V414.5

A

1009-8518(2021)01-0039-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.005

逯运通，男，1985年生，2011年获北京航空航天大学机械工程专业工学硕士学位，高级工程师，主要从事航天器机械总体设计工作。E-mail：yuntonglu@126.com。

2020-03-03

逯运通, 张旭辉, 李青, 等. 返回器着陆缓冲技术途径综述[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 39-47.

LU Yuntong, ZHANG Xuhui, LI Qing, et al. Study on the Landing Buffer Pattern of the Reentry Capsule[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 39-47 (in Chinese)

（编辑：夏淑密）