國防科技大學空天科學學院講師張夢櫻為您講述——

　　降落傘系統(tǒng)：航天器著陸的“平安之花”

　　4月16日上午，一頂紅白相間的降落傘在東風著陸場上空像一朵鮮花徐徐展開。隨著返回艙的著陸，3名航天員安全歸航，神舟十三號載人航天任務取得圓滿成功。

　　在廣袤的東風著陸場，降落傘就是最明顯的指引。只要捕捉到它的身影，地面搜救人員就如同吃了一顆定心丸。

　　降落傘是利用空氣阻力實現(xiàn)氣動減速的裝置，在載人航天返回、類地天體探測中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

　　今天，就讓我們對降落傘系統(tǒng)一探究竟。

　　載人飛船降落傘——

　　守護航天員回家“最后十公里”

　　讓我們再次把視線拉回4月16日那天，回顧神舟十三號飛船的返回過程。

　　神舟十三號飛船在軌飛行5圈后，首次在快速返回模式下返回地球。與神舟十二號飛船返回相比，該模式將返回時間由一天多縮短到幾小時，大大改善了航天員的舒適性，提高了任務完成效率。

　　經歷了熱障和黑障，載人飛船回收著陸的最后一棒交給了神舟飛船降落傘系統(tǒng)。

　　距離地面10公里高度時，飛船速度由第一宇宙速度降到大約200米/秒，多級開傘程序啟動。

　　首先，返回艙上的靜壓高度控制器通過測量大氣壓力，判定開傘高度，傘艙蓋自動彈出，引導傘和減速傘依次拉出。減速傘將返回艙速度減至約180米/秒。隨后，飛船返回艙速度和高度進一步降低，主降落傘從傘艙彈出，經歷兩級充氣減速，速度降至約40米/秒。此時，1200平方米的主傘完全展開，防熱大底被拋掉。下降過程中，返回艙減速至約7～8米/秒，保證航天員在低速狀態(tài)下平穩(wěn)下降。

　　經過層層開傘減速，為避免著陸緩沖段返回艙與地面“硬碰硬”，在距地面高度約1米時，返回艙精確控制4臺著陸反推發(fā)動機，通過反推 “剎車”的方式，將速度降至約2米/秒，實現(xiàn)精準軟著陸，以減輕航天員所受沖擊。

　　落地并非萬事大吉，主傘可能會被風吹起，拖曳返回艙在地面滑跑，順風情況下可滾動七八千米。為此，在落地瞬間，主傘上的切割器將剪斷傘繩，讓主傘脫落，確保返回艙不會被拖走。

　　事實上，為確保航天員的安全，自神舟九號起，飛船回收著陸系統(tǒng)就在程序脫傘模式基礎上，增加了航天員手動脫傘模式，有效避免了著陸場環(huán)境對航天員的威脅。

　　地外行星降落傘——

　　護航祝融號落火的使者

　　有人提出疑問，返回地球任務所用的飛船降落傘系統(tǒng)是否適用于各種航天任務？讓我們以天問一號火星探測任務為例，探討一下這個問題。

　　天問一號著陸的紅色星球——火星，素有“探測器墳場”之稱。全世界累計40余次火星探測任務中，能成功穿越火星大氣層，平穩(wěn)著陸的僅有9次。中國之所以能成為世界上第二個成功實現(xiàn)火星軟著陸并開展火星探測的國家，火星降落傘功不可沒。

　　2021年5月15日，在經歷296天太空之旅后，中國首個火星探測器天問一號攜帶著祝融號火星車穩(wěn)穩(wěn)降落在首選落點——火星北半球的烏托邦平原。

　　經歷5分鐘左右的氣動減速，探測器速度降至約2馬赫。此時，火星降落傘“登場”，它的任務是把天問一號從2馬赫的超聲速減速至95米/秒。

　　火星大氣層稀薄，在10千米高度、大氣密度僅為地球大氣密度的1/100。因此，在著陸階段，為天問一號保駕護航的火星降落傘，與地球返回任務所用的降落傘相比，在開傘條件、工作狀態(tài)和結構設計上均大不相同。

　　由于火星大氣層密度低，探測器在氣動減速之后，速度仍比聲速快，動壓卻只有500帕左右。在超聲速條件下開傘，降落傘傘衣前將出現(xiàn)弓形激波流場。盡管這道激波不足以使降落傘流場環(huán)境變復雜，但傘前面還有一個探測器。探測器不僅自身會產生一道激波，還會在其后方形成一道又細又長的尾流。可以想見，當探測器尾流和傘前的激波“狹路相逢”，降落傘周圍將形成高度復雜的非定常流場，導致傘衣劇烈抖動，像水母一樣“呼吸”起來，產生一系列嚴重的“喘振”現(xiàn)象。

　　大氣層密度低會帶來這樣的挑戰(zhàn)：獲得同等氣動阻力需要更大傘衣面積，系統(tǒng)重量和體積相應增加。同時，會使降落傘的穩(wěn)定性降低、擺動角變大。而低動壓意味著低氣動阻力，進一步增大了傘從“呼吸”和擺動狀態(tài)恢復穩(wěn)定的難度。如此狀態(tài)下，開傘可謂“步步驚心”。

　　因此，在火星降落傘的結構設計上，要適應低密度低動壓條件下穩(wěn)定性干擾顯著的問題，就要提高降落傘強度、局部結構抗抖動等復雜力學環(huán)境的能力，并注重提高降落傘抗損傷擴展的能力。

　　天問一號使用的降落傘是鋸齒形盤縫帶傘：在平面圓形傘的盤周圍增加一個環(huán)形的帶，二者中間開縫。同時，在底邊部分增加三角條幅，才能滿足低密度低動壓條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強局部結構承載能力。

　　在局部加強材料方面，為應對火星環(huán)境，天問一號降落傘采用新的芳綸材料。另外，為了提高連接強度，傘繩也內藏乾坤，采用新的插接工藝，直接把材料本體插接在一起，避免縫紉帶來的強度損失。

　　降落傘的未來之路——

　　大型群傘技術未來可期

　　為了更好地減速，研制更大的單傘并非首選。

　　2020年5月8日，3朵紅白相間的巨大傘花掛著一個錐形鈍頭艙體在東風著陸場上空徐徐降落。這是新一代載人飛船試驗船返回艙。新一代載人飛船重量是神舟飛船的兩倍，最多可承載7名航天員返回地球。這就需要適應新任務的降落傘減速系統(tǒng)。

　　新一代載人飛船試驗船回收采用了大型群傘技術。群傘由3具大小與神舟飛船降落傘面積相當的單傘組成，可保證新一代載人飛船這個“大家伙”在回家“最后十公里”有效安全減速。

　　除了群傘技術，針對不同任務需求，還有更多研究要點需要注意。

　　比如，降落傘在地球的模擬研究。不同行星，大氣環(huán)境也不同，傳統(tǒng)的地球低高度空投試驗不能有效驗證行星降落傘系統(tǒng)是否合格。要想知道不同行星環(huán)境下降落傘是否可按照預想可靠工作，需合理選擇關鍵參數，模擬行星大氣開傘的實際條件，通過多次地面驗證，才能準確回答這一問題。

　　還比如，對降落傘的材料及強度的研究。研究人員必須追蹤高性能柔性織物材料的發(fā)展，材料性能的提升會帶來設計方案的變革。

　　在未來一段時間內，降落傘仍舊是航天器著陸的首選減速設備。根據規(guī)劃，2022年中國載人航天工程將完成6次發(fā)射任務，包括天舟四號和天舟五號貨運飛船、神舟十四號和神舟十五號載人飛船，以及問天實驗艙和夢天實驗艙的發(fā)射。屆時，中國空間站將全面建成，中國載人航天工程可謂“好戲連臺”。

　　讓我們共同期待紅白相間的飛船降落傘再次在東風著陸場高空綻放，護送航天員安全歸航。

　　張照星 顧 瑩