王永濱, 武士輕, 蔣萬松, 竺梅芳，王立武，4, 黃 偉

(1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 210016；4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189)

航天器在進(jìn)入或者返回過程中，一般采用降落傘或者發(fā)動(dòng)機(jī)等進(jìn)行減速。一般在有大氣的環(huán)境下，例如返回地球或者進(jìn)入火星時(shí)，一般采用降落傘減速，將航天器的速度減速到6～13 m/s，但是該速度不會(huì)太低，否則降落傘的質(zhì)量和尺寸將大到不可接受的規(guī)格；在一些沒有大氣的星體探測時(shí)，一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，如在開展月球和小行星探測時(shí)，一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)航天器慢速抵近目標(biāo)地點(diǎn)，將航天器接近零速懸停到一定高度(著陸沖擊速度3～6 m/s)，隨后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，探測器最終靠自身重力著陸在目標(biāo)地點(diǎn)，過近抵近著陸點(diǎn)易導(dǎo)致探測器在發(fā)動(dòng)機(jī)反推力和羽流綜合作用下產(chǎn)生的傾覆。

航天器如果以上狀態(tài)不經(jīng)過任何緩沖過程直接著陸，一般會(huì)導(dǎo)致航天器的損毀，如果是載人航天器還將危及航天員的生命。綜上，僅采用降落傘或者發(fā)動(dòng)機(jī)減速無法實(shí)現(xiàn)航天器完成最終著陸，即航天器存留的著陸速度需要采用特殊的著陸緩沖技術(shù)將其消耗掉，最終實(shí)現(xiàn)航天器的速度降為零。從能量角度來說，航天器著陸前具備一定的動(dòng)能(如降落傘穩(wěn)速下降)或者勢能(如動(dòng)力減速懸停態(tài))，需要采取特殊手段吸收著陸過程中的能量，該部分能量一方面通過航天器自身主動(dòng)吸能，另一方面航天器結(jié)構(gòu)與沖擊介質(zhì)之間也會(huì)吸收一部分能量。在設(shè)計(jì)航天器著陸緩沖能量吸收過程時(shí)，需要在考慮沖擊介質(zhì)能量吸收的基礎(chǔ)上，采用特殊技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)末段能量的吸收。

1 著陸沖擊能量吸收路徑分析

航天器著陸緩沖作為航天器最后一個(gè)工作過程，伴隨著航天器以一定的初速度與目標(biāo)介質(zhì)沖擊碰撞，不同于之前的降落傘或者動(dòng)力減速的長時(shí)過程，著陸沖擊過程時(shí)間短且行程小。故工程上一般采用著陸緩沖裝置對(duì)航天器進(jìn)行緩沖，通過能量吸收設(shè)計(jì)，使得最終著陸沖擊過程受控。在進(jìn)行能量吸收設(shè)計(jì)時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮整個(gè)著陸任務(wù)剖面中各環(huán)節(jié)能量的吸收，結(jié)合工程實(shí)際開展具體設(shè)計(jì)。

1.1 著陸緩沖裝置能量吸收

在航天器的工程實(shí)際實(shí)施過程中，需要結(jié)合多因素選取最合適的著陸緩沖裝置吸收能量，需要考慮的因素包括探測目標(biāo)、探測方式、著陸緩沖質(zhì)量、著陸速度、著陸過載、著陸地貌、研制制約條件等多因素。緩沖裝置通過多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)著陸沖擊能量的吸收，即將著陸沖擊的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換為緩沖裝置的內(nèi)能。

一般，對(duì)于未知地形可以采用全向氣囊進(jìn)行能量吸收，確保著陸器在各類著陸地形下的安全性，而對(duì)于可知地形可以采用單向氣囊或者著陸緩沖支架裝置進(jìn)行能量吸收。國際上對(duì)于緩沖氣囊用于航天器的著陸緩沖有及其廣泛的應(yīng)用，如美國在20世紀(jì)研究的K-1運(yùn)載火箭，基于氣囊實(shí)現(xiàn)20 t級(jí)一級(jí)運(yùn)載火箭以及12 t級(jí)二級(jí)火箭的回收[1]，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了火箭不小于4gn過載(gn為地球重力加速度)，并結(jié)合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)著陸緩沖的模擬[2-3]。如圖1所示，美國在開展火星探測前期，主要采用四面體緩沖氣囊緩沖[4]。21世紀(jì)，美國開展的“獵戶座”及“乘員航天運(yùn)輸-100”均采用了緩沖氣囊進(jìn)行載人飛船的回收，以上兩個(gè)飛行器的氣囊均采用6組緩沖氣囊，每組氣囊設(shè)置用于支撐的內(nèi)囊和緩沖吸能的外囊[5-7]。美國航空航天局研制的“獵戶座”緩沖氣囊系統(tǒng)需緩沖的飛船質(zhì)量為9.5 t，該緩沖系統(tǒng)總重量為110 kg，其排氣控制基于壓力傳感器決策[8-11]。波音公司研制的“乘員航天運(yùn)輸-100”載人飛船氣囊相較于“獵戶座”飛船6個(gè)氣囊基礎(chǔ)上增加了中心氣囊，專門應(yīng)用于在水上著陸[12-13]。如圖2所示，中國新一代載人飛船試驗(yàn)船也采用了緩沖氣囊作為其著陸后的緩沖手段，飛行試驗(yàn)已經(jīng)獲得圓滿成功。綜上，緩沖氣囊以其低重量、折疊效率高、緩沖效率高得到了廣泛的應(yīng)用[14]。中國其他大載重氣囊主要應(yīng)用在各型武器裝備的空投緩沖上，但此類氣囊緩沖效率較低，不適用大載重低過載航天器[15-17]。中國學(xué)者針對(duì)氣囊的高效率緩沖，提出了智能氣囊的主動(dòng)控制技術(shù)，并對(duì)影響著陸緩沖的各因素進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，提升了氣囊設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)研究[18-20]。

圖1 火星“探路者”著陸緩沖系統(tǒng)

圖2 新飛船著陸緩沖系統(tǒng)

對(duì)于需要建立著陸后穩(wěn)定工作平臺(tái)的探測任務(wù)，著陸緩沖支架要優(yōu)于緩沖氣囊，因?yàn)橹懢彌_支架可以建立穩(wěn)定支撐的平臺(tái)，可以支撐后續(xù)上升和發(fā)射等工作。在選取確定的著陸緩沖裝置后，一般設(shè)計(jì)該系統(tǒng)核心緩沖器吸收所有著陸沖擊能量，而且留有一定的安全裕度。

國際上用于深空探測的著陸緩沖系統(tǒng)，除了氣囊外大部分均采用著陸緩沖支架，20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)發(fā)射的“月球”(Lunar)系列著陸器，美國發(fā)射的“勘測者”(Surveyor)系列著陸器[21]；在載人登月領(lǐng)域，蘇聯(lián)研制的LK載人登月著陸器，美國成功著陸的“阿波羅”月球著陸器(圖3)[22-23]，以及近幾年美國提出的“牽牛星”[24]和“龍”飛船著陸緩沖裝置[25]。歐洲和日本也積極開展月面著陸器著陸緩沖技術(shù)研究[26]。中外專家學(xué)者圍繞月球探測器軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究開展了深入研究[27-28]，重點(diǎn)對(duì)國際上常用探測器緩沖器、展開鎖定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其特點(diǎn)、著陸沖擊動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析[29-32]。

圖3 “阿波羅”著陸緩沖系統(tǒng)[22-23]

在火星探測領(lǐng)域，美國實(shí)現(xiàn)了“海盜號(hào)”“鳳凰號(hào)”在火星上的軟著陸[33]。近年來，隨著商業(yè)航天的興起，以SpaceX為代表的新型商業(yè)公司開展了基于著陸緩沖支架的火箭垂直回收(圖4)[34]，引發(fā)了世界各國的強(qiáng)烈反響，推動(dòng)了該技術(shù)的新發(fā)展。中國在嫦娥系列探測器上配置了著陸緩沖裝置，已實(shí)現(xiàn)在月面的軟著陸，后續(xù)計(jì)劃在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸[35-38]。中國高校如哈爾濱工業(yè)大學(xué)[39]和南京航空航天大學(xué)[40-42]也開展了關(guān)于著陸緩沖支架的理論研究。北京空間機(jī)電研究所針對(duì)載人登月著陸緩沖任務(wù)，研制了大噸位的著陸緩沖支架，目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成原理樣機(jī)的研制[43-44]。上海宇航系統(tǒng)工程研究所提出了一種懸臂式著陸緩沖機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案，采用絲杠滑塊裝置實(shí)現(xiàn)探測器姿態(tài)調(diào)整、著陸腿展開和收攏等功能，為后續(xù)載人月球探測的著陸緩沖機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考[45]。

圖4 “獵鷹-9R”著陸緩沖系統(tǒng)

1.2 著陸沖擊介質(zhì)能量吸收

航天器著陸過程首先是一個(gè)與散體介質(zhì)接觸碰撞的過程，建立合理可靠的散體介質(zhì)沖擊動(dòng)力學(xué)分析模型是航天器著陸沖擊研究的關(guān)鍵問題。中外學(xué)者針對(duì)在地球、月球和火星探測的著陸過程進(jìn)行了研究。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提出一種實(shí)驗(yàn)原理對(duì)“阿波羅”號(hào)載人飛船著陸器的著陸沖擊問題進(jìn)行了研究[46]；Cassenti[47]針對(duì)著陸沖擊中的壓力負(fù)荷建立了一種解析解模型，并與已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比；William[48]對(duì)“阿波羅”號(hào)載人登月著陸器的著陸緩沖裝置著陸沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，通過著陸沖擊實(shí)驗(yàn)確定了著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)。Merchant等[49]基于蒙特卡洛法對(duì)月球著陸器著陸沖擊動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。

針對(duì)地球著陸的研究發(fā)現(xiàn)，土壤在沖擊過程中吸收的能量均達(dá)到?jīng)_擊總能量的65%以上，散體介質(zhì)是沖擊能量吸收的主體[50]。另外作者在前期負(fù)責(zé)的載人登月月面著陸緩沖裝置研制中，在進(jìn)行全尺寸著陸沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)月壤對(duì)于著陸沖擊能量的吸收大于50%。從這一點(diǎn)來說，對(duì)于著陸沖擊響應(yīng)的特性研究顯得尤為重要，因?yàn)槟芰看蟛糠钟蓻_擊散體介質(zhì)吸收，而航天器所需承受的沖擊能量只是其中一部分。

航天器著陸后，一般會(huì)與接觸介質(zhì)產(chǎn)生沖擊碰撞，在這個(gè)過程中會(huì)有一部分的能量被吸收。即航天器的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為接觸介質(zhì)內(nèi)能耗散掉，包括介質(zhì)內(nèi)各顆粒之間的相互碰撞、摩擦及破碎，以上能量耗散效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)能量傳遞和耗散等宏觀現(xiàn)象的主要機(jī)制。該過程涉及到復(fù)雜系統(tǒng)中的跨尺度效應(yīng)，系統(tǒng)內(nèi)自組織行為引起的宏觀現(xiàn)象比較復(fù)雜。近年來，隨著離散元等新技術(shù)的發(fā)展，為解決模擬星表能量吸收提供了新的技術(shù)思路[51-53]。大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，著陸沖擊時(shí)散體介質(zhì)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)之間的相互碰撞及摩擦效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)某些宏觀現(xiàn)象的主要機(jī)制[54]。依據(jù)目前的碰撞動(dòng)力學(xué)理論在解決許多復(fù)雜的工程實(shí)際問題時(shí)，尤其是在解決精度要求很高的航天器相關(guān)問題時(shí)顯得有些不足[55-56]。

綜上所述，在開展航天器緩沖裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要針對(duì)離散著陸沖擊介質(zhì)的能量吸收做系統(tǒng)分析，這樣可以更加客觀的認(rèn)識(shí)著陸緩沖過程。沖擊介質(zhì)的能量吸收比例可以作為航天器著陸緩沖的可靠補(bǔ)充。

2 著陸緩沖裝置分類

按末端減速所需制動(dòng)力的來源(圖5)，可將航天器著陸緩沖的方式分為被動(dòng)式緩沖技術(shù)、半主動(dòng)式緩沖技術(shù)和主動(dòng)式緩沖技術(shù)[57]，基于不同的緩沖機(jī)理及所選用的材料進(jìn)行了細(xì)分。

圖5 著陸緩沖技術(shù)匯總

相比而言最為常用的為被動(dòng)式控制緩沖技術(shù)，在被動(dòng)式緩沖技術(shù)中，最為常用的為氣/液/固三類機(jī)制的緩沖技術(shù)，近些年也催生了類固液相的新型緩沖技術(shù)，以上均利用自身被動(dòng)吸能；近年來，隨著智能化技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了以電磁阻尼、磁流變阻尼和電磁顆粒阻尼為代表的半主動(dòng)式緩沖技術(shù)，該類技術(shù)具備一定的智能特性，能夠根據(jù)被緩沖對(duì)象的特性開展一定的適應(yīng)性緩沖；隨著智能結(jié)構(gòu)與材料的發(fā)展，出現(xiàn)了以主動(dòng)控制緩沖技術(shù)，將著陸緩沖技術(shù)推向智能化領(lǐng)域發(fā)展。智能材料可以通過電、熱、磁等進(jìn)行激勵(lì)和控制，是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料，從而使結(jié)構(gòu)材料本身具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等普通機(jī)械結(jié)構(gòu)不具有的功能。

3 典型著陸緩沖裝置設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 氣囊類緩沖系統(tǒng)

基于氣囊的著陸緩沖系統(tǒng)在著陸緩沖過程中，通過壓縮氣囊，將航天器的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣囊內(nèi)氣體的內(nèi)能[58]。在壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，氣體通過排氣口排出，通過囊內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，將其吸收的能量排出，達(dá)到緩沖的目的。對(duì)于排氣式緩沖氣囊，最核心的技術(shù)指標(biāo)為緩沖行程，即根據(jù)緩沖行程經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算緩沖氣囊的最小緩沖高度，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：v1為初始著陸速度；v2為著陸末速度；g為重力加速度；n為允許最大過載值；η為氣囊工作效率，一般取0.4～0.6。

在完成緩沖高度設(shè)計(jì)后，依照氣囊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和安全裕度修正高度值。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算緩沖時(shí)間、排氣口面積、氣囊體積、最大壓力、材料應(yīng)力等，據(jù)此結(jié)合仿真分析開展氣囊結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計(jì)。該方法可以應(yīng)用于各型緩沖氣囊的緩沖性能設(shè)計(jì)分析，在完成以上工作后可以開展氣囊類緩沖系統(tǒng)的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，最后通過仿真分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)測，通過試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 基于油氣式緩沖的緩沖支架

油氣緩沖器具有較高的效率和能量吸收能力，且已在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，另外在早期月球探測以及目前火箭垂直回收得到了廣泛的應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)是回收著陸緩沖技術(shù)的重要技術(shù)形式和組成部分[59]。油氣式緩沖器在航空領(lǐng)域是一個(gè)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)成熟。但是，面向空間領(lǐng)域的油氣式緩沖器外國已有應(yīng)用，而中國還處于起步階段。

在設(shè)計(jì)油氣緩沖器時(shí)，需要重點(diǎn)考慮緩沖行程、緩沖過載、緩沖器長度等性能參數(shù)。作為初步估算，不考慮輪胎吸能和著陸時(shí)飛行器的氣動(dòng)升力，僅緩沖器吸收著陸撞擊能量，緩沖行程計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：N為過載；ns為緩沖器效率；S為機(jī)輪的垂直行程；v為下沉速度。

該方法可以作為油氣類緩沖器緩沖行程的計(jì)算，預(yù)估所需設(shè)計(jì)輸入，在此基礎(chǔ)上細(xì)化各零部組件設(shè)計(jì)，分析緩沖器類型、限油孔參數(shù)等對(duì)緩沖性能的影響，建立聯(lián)合仿真動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的有效性。

3.3 基于壓潰介質(zhì)的著陸緩沖支架

可壓潰材料具有相對(duì)密度小、剛度低、壓縮變形能力大、寬溫域、工作可靠且變形可控等優(yōu)點(diǎn)，是理想的緩沖材料[60]。壓潰式緩沖介質(zhì)吸能的機(jī)理為將探測器著陸時(shí)的動(dòng)能耗散在緩沖器內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形上?；趬簼⒔橘|(zhì)的著陸緩沖支架在深空探測緩沖領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在后期月球和火星探測，例如鋁蜂窩緩沖器曾經(jīng)成功地應(yīng)用在如阿波羅系列著陸器探測器中，該項(xiàng)技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)首先要滿足最大著陸過載和沖擊能量吸收的要求，不考慮水平速度，一般支腿全部觸地時(shí)在垂直方向產(chǎn)生的過載最大，此時(shí)單個(gè)主支腿上的最大壓力Fmax可表示為

(3)

式(3)中：M為著陸器質(zhì)量；amax為允許的最大過載；NL為著陸支腿數(shù)量；α為主支腿傾斜角。

在考慮沖擊載荷緩沖時(shí)，除了對(duì)最大過載有要求，對(duì)初始沖擊過載的變化率也需要限定，以減小在結(jié)構(gòu)和設(shè)備上產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)，因此一般將緩沖裝置設(shè)計(jì)成多級(jí)緩沖。為保證可靠緩沖，設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮單支腿能吸收垂直方向大部分能量，兩支腿著陸可以吸收全部的能量。即在完成對(duì)著陸緩沖行程估算基礎(chǔ)上，照能量全部吸收且有一定裕度的原則合理分配各級(jí)緩沖行程和載荷，一般通過多體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算獲得緩沖效果并優(yōu)化。

該方法可以廣泛應(yīng)用于采用壓潰材料進(jìn)行緩沖吸能的領(lǐng)域，即通過合理設(shè)計(jì)緩沖吸能材料的緩沖力和緩沖行程，即可以對(duì)能量進(jìn)行有效吸收，進(jìn)而降低著陸沖擊載荷。而對(duì)于緩沖力值不是定值的情況，可以采用積分的手段實(shí)現(xiàn)能量的吸收計(jì)算。

4 技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 技術(shù)內(nèi)涵

航天器著陸緩沖過程實(shí)際上可以認(rèn)為是能量交換的過程，無論是航天器自身的著陸緩沖裝置，還是沖擊介質(zhì)碰撞時(shí)能量的吸收，其本質(zhì)均是能量的耗散。如圖6所示，以上過程可歸結(jié)為氣、液、固物質(zhì)的形變引發(fā)的能量轉(zhuǎn)換，即將動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。

F為作用在緩沖裝置的外載荷

對(duì)于氣體介質(zhì)的緩沖系統(tǒng)，其緩沖機(jī)理主要為氣囊受力壓縮過程中，氣囊內(nèi)壓力增大，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，隨后排氣過程將能量通過氣體釋放，該過程時(shí)間較短，不涉及外界熱交換問題，可以按照絕熱過程分析；對(duì)于液體介質(zhì)的緩沖系統(tǒng)，由于絕大部分流體都不是絕對(duì)不可壓的，液壓緩沖機(jī)理主要為帶阻尼孔的活塞壓入充滿流體的液壓腔體時(shí)，液體介質(zhì)受壓后其壓強(qiáng)迅速增大，流體通過阻尼孔流至其他空腔內(nèi)，其間將沖擊能量轉(zhuǎn)化為液體的動(dòng)能和熱能；對(duì)于固體介質(zhì)的緩沖系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換較為清晰，即將著陸沖擊能量轉(zhuǎn)化為固體形變能。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

著陸緩沖系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如高性能緩沖技術(shù)、著陸沖擊動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)和地面試驗(yàn)技術(shù)。著陸緩沖系統(tǒng)的緩沖能力主要是通過緩沖器吸收沖擊能量，高性能緩沖技術(shù)是著陸吸能的核心，高效緩沖器的研究對(duì)于總體方案的選擇和功能實(shí)現(xiàn)均具有極為重要的影響；著陸沖擊動(dòng)力學(xué)特性是決定著陸器著陸過載和姿態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng)的基礎(chǔ)，須建立精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)研究模型，分析緩沖裝置和沖擊介質(zhì)能量吸收特性；著陸緩沖系統(tǒng)需要進(jìn)行地面著陸沖擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，試驗(yàn)?zāi)M過程中需要精準(zhǔn)模擬著陸邊界條件，確保設(shè)計(jì)和分析的正確性。

5 展望

隨著航天器返回與著陸任務(wù)的增多，尤其是對(duì)無損著陸的需求增大，對(duì)航天器著陸緩沖技術(shù)提出了越來越多的需求，航天器著陸緩沖專業(yè)迎來了發(fā)展的機(jī)遇期。圍繞著陸緩沖理論與技術(shù)發(fā)展，需在航天器著陸緩沖機(jī)理研究基礎(chǔ)上，推動(dòng)高效能無損著陸緩沖技術(shù)和新概念著陸緩沖理論與方法研究，創(chuàng)新航天器著陸緩沖綜合驗(yàn)證技術(shù)。

隨著載人深空等任務(wù)的蓬勃發(fā)展，以及以運(yùn)載火箭回收為代表的超大飛行器回收任務(wù)對(duì)于緩沖載荷的質(zhì)量不斷加大，這就需要相應(yīng)緩沖技術(shù)具備大載重緩沖的能力，對(duì)相關(guān)技術(shù)能力提出了更高的要求。面向未來多任務(wù)、多目標(biāo)的地外天體著陸緩沖任務(wù)，需要基于新材料、新理論和新技術(shù)，推動(dòng)航天器智能化無損著陸緩沖發(fā)展，助推航天強(qiáng)國建設(shè)[61]。具體發(fā)展展望如下。

5.1 開展航天器著陸緩沖機(jī)理研究

航天器著陸是一個(gè)極其復(fù)雜的瞬態(tài)沖擊過程，其間伴隨著復(fù)雜的力學(xué)問題，目前對(duì)于型號(hào)任務(wù)中的能量的傳遞機(jī)理尚未完全厘清。近年來，每年都有多個(gè)航天型號(hào)由于著陸時(shí)的沖擊發(fā)生質(zhì)量問題，包括著陸沖擊導(dǎo)致的控制產(chǎn)品元器件失效、沖擊致結(jié)構(gòu)破壞、沖擊過大不滿足使用指標(biāo)等。在處理這些問題時(shí)，由于缺乏對(duì)著陸器著陸沖擊載荷下的耦合碰撞機(jī)理認(rèn)識(shí)，對(duì)沖擊響應(yīng)特性研究目前還處在試驗(yàn)，改進(jìn)，再試驗(yàn)的階段上。這種解決方法帶來的問題是對(duì)于問題產(chǎn)生的原因以及問題的解決措施沒有進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，多停留在問題表象，這給后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品研制埋下了隱患。

后續(xù)基于航空宇航技術(shù)與工程力學(xué)學(xué)科的研究成果和技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合理論、數(shù)值模擬和試驗(yàn)手段，分析不同著陸姿態(tài)、著陸速度、不同星表物理和力學(xué)特性對(duì)瞬態(tài)沖擊特性的影響，揭示航天器著陸過程能量傳遞與耗散機(jī)理。采用自適應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制原理，對(duì)著陸過程及耦合碰撞特性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，建立著陸沖擊性能的評(píng)價(jià)體系和改進(jìn)方法，為實(shí)現(xiàn)理論研究成果向科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)的轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支撐。開展基于充氣結(jié)構(gòu)緩沖裝置的耗能機(jī)理研究，揭示柔性充氣系統(tǒng)緩沖過程機(jī)理與著陸緩沖特性研究。

5.2 推動(dòng)高效能無損著陸緩沖技術(shù)發(fā)展

以SpaceX可重復(fù)使用火箭為代表的無損著陸緩沖技術(shù)為代表的航天任務(wù)掀起了無損回收的熱潮，如何實(shí)現(xiàn)高效能回收是目前中外研究的熱點(diǎn)。面向航天器大承載、高可靠、安全著陸需求，需開展新型接觸式高效著陸緩沖吸能材料研究，突破微觀機(jī)理到宏觀特性的理論建模和物理預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)。開展接觸式高效著陸附著機(jī)構(gòu)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)星表非固定位置的多點(diǎn)多維度探測提供裝備支撐；面向未來空天往返中水平降落與垂直降落的任務(wù)需求，開展高速水平著陸起落架技術(shù)與垂直回收技術(shù)研究，探索大載荷條件下運(yùn)載器著陸緩沖支架吸能和姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)新方案；圍繞新緩沖機(jī)理，開展以超材料緩沖技術(shù)為代表的材料功能集成一體的緩沖吸能技術(shù)，提升緩沖效率；此外在緩沖形式上，后續(xù)需要開展半主動(dòng)和主動(dòng)控制的吸能手段，提升智能化的能量吸收系統(tǒng)。

5.3 開創(chuàng)新概念著陸緩沖理論與方法

為了確保中國在未來空天往返、載人探月、深空探測等國防戰(zhàn)略需求，需要發(fā)展如仿生結(jié)構(gòu)技術(shù)為代表的一系列前沿技術(shù)。面向未來的航天任務(wù)，在非確定性環(huán)境下的著陸緩沖過程中，通過對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行充分感知，基于環(huán)境數(shù)學(xué)建模和識(shí)別開展智能著陸控制算法研究，結(jié)合多信息融合的并聯(lián)協(xié)同智能控制技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境感知的智能自主控制，為精細(xì)化著陸提供保障。為了實(shí)現(xiàn)航天器的無損安全著陸，除了緩沖氣囊、軟著陸支架等接觸式緩沖技術(shù)，也可類似于聯(lián)盟號(hào)飛船、神舟飛船，采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推制動(dòng)等非接觸式著陸緩沖技術(shù)。針對(duì)未來在地外天體表面的多點(diǎn)探測、物資轉(zhuǎn)運(yùn)、基地建造等任務(wù)對(duì)可移動(dòng)著陸機(jī)構(gòu)的需求，開展可移動(dòng)、可重復(fù)使用以及可全地形適應(yīng)的著陸機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)及其控制方法的研究，為未來的多任務(wù)、多目標(biāo)及高環(huán)境適應(yīng)性的地外天體探測任務(wù)提供裝備保障。

5.4 加強(qiáng)航天器著陸緩沖綜合驗(yàn)證技術(shù)

隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，深空探測、載人航天、空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等將進(jìn)一步拓展，具備星表探測與天地往返能力的航天器成為重要的發(fā)展方向。無論是返回地球的著陸，還是降落地外天體的著陸，均為航天器飛行任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須對(duì)其著陸安全進(jìn)行充分的地面驗(yàn)證。

航天器著陸綜合驗(yàn)證技術(shù)是驗(yàn)證航天器關(guān)鍵性能的重要手段。圍繞驗(yàn)證的真實(shí)性和有效性，需要開展大載重航天器高精度著陸投放試驗(yàn)技術(shù)研究、大尺度高速隨動(dòng)低重力模擬試驗(yàn)技術(shù)研究、基于相似性理論的低重力場軟著陸沖擊試驗(yàn)研究、自動(dòng)控制與乘員干預(yù)飛行模式試驗(yàn)技術(shù)研究、地外天體表面特性模擬技術(shù)研究，以及復(fù)雜試驗(yàn)設(shè)施預(yù)示仿真技術(shù)研究。通過以上研究實(shí)現(xiàn)地外天體著陸試驗(yàn)技術(shù)體系的完善，為中國深空探測、載人登月等任務(wù)提供保障。相關(guān)驗(yàn)證技術(shù)手段可以擴(kuò)展至航空等領(lǐng)域，如飛機(jī)的墜撞試驗(yàn)等，有效提升試驗(yàn)的精度。

6 結(jié)論

(1)對(duì)航天器著陸沖擊過程能量吸收路徑進(jìn)行了分析，提出需要考慮著陸緩沖裝置和沖擊介質(zhì)能量吸收兩個(gè)環(huán)節(jié)。

(2)按終端減速所需制動(dòng)力的來源，將航天器著陸緩沖分為：被動(dòng)式緩沖、半主動(dòng)式緩沖和主動(dòng)式緩沖。

(3)給出三類典型著陸緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和應(yīng)用領(lǐng)域。

(4)提出著陸緩沖系統(tǒng)基于氣、液、固三類介質(zhì)緩沖吸能體系，對(duì)應(yīng)分析了緩沖機(jī)理，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

(5)對(duì)航天器著陸緩沖技術(shù)后續(xù)發(fā)展提出了展望，為該技術(shù)未來發(fā)展指出了方向。