包進進 劉大海 榮偉 賈賀 張宇 王海濤 蔡凝

(1 北京空間機電研究所，北京 100094)(2 國防科技大學 航天科學與工程學院，長沙 410073)

嫦娥五號探測器作為我國月球探測“繞、落、回”三步走中第三步實施月球樣品自動采樣返回任務(wù)的飛行器，于2020年11月24日04時30分由長征五號運載火箭在文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)歷了發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段、環(huán)月飛行段、著陸下降段、月面工作段、月面上升段、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移段、環(huán)月等待段、月地轉(zhuǎn)移段和再入回收段等11個飛行階段后，于2020年12月17日02時00分安全返回著陸場。嫦娥五號月球無人采樣返回任務(wù)是我國航天迄今為止復雜度最高、技術(shù)跨度最大的任務(wù)。

回收分系統(tǒng)是嫦娥五號探測器返回器的一個重要組成部分，其主要任務(wù)是在返回器經(jīng)過一次跳躍二次再入大氣層，當返回器高度、速度下降到預定范圍時，通過降落傘氣動阻力，穩(wěn)定返回器姿態(tài)，減小返回器下降速度，使返回器最終著陸速度滿足規(guī)定的要求。

在滿足開傘動壓、開傘過載、減速性能等系列約束條件下，為了實現(xiàn)回收分系統(tǒng)輕小型化、高可靠性[1]的目標，嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)需解決開傘載荷、結(jié)構(gòu)布局、開傘脫傘可靠性、艙傘穩(wěn)定性等系統(tǒng)匹配性設(shè)計難題，本文將從回收分系統(tǒng)降落傘減速方案、彈蓋開傘方案、回收控制方案、降落傘連接與分離方案等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)論述回收分系統(tǒng)設(shè)計思路和設(shè)計結(jié)果。

1 任務(wù)概述及系統(tǒng)約束

嫦娥五號探測器采用繞月自由返回軌道飛行，經(jīng)過發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段、環(huán)月飛行段、著陸下降段、月面工作段、月面上升段、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移段、環(huán)月等待段、月地轉(zhuǎn)移段飛行后，軌道器與返回器分離。返回器經(jīng)滑行飛行后，以再入姿態(tài)進入地球大氣層，并采用半彈道跳躍式再入返回方式。當返回器第1次下降到海拔高度約60 km時，借助氣動力的作用，返回器再次躍出大氣層，然后第2次進入大氣層，下降到設(shè)計的開傘高度時，回收分系統(tǒng)開始工作，對返回器作進一步減速，最終確保返回器安全著陸。探測器主要飛行過程如圖1所示。

圖1 探測器主要飛行過程示意圖Fig.1 Diagram of main flight process of Chang’e-5 spacecraft

嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)需要在滿足一系列初始條件、約束條件下，通過合理設(shè)計、優(yōu)化方案，實現(xiàn)規(guī)定的功能，達到預定的性能指標要求。嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)的主要初始條件、約束條件及性能指標包括：

(1)開傘高度大于10 km(海拔高度)；

(2)在開傘動壓不大于5.0 kPa的條件下，降落傘各級開傘過載不大于7gn；

(3)返回器落地總質(zhì)量為310 kg時，在著陸區(qū)海拔高度為1 km、地面風速不大于15 m/s的情況下，返回器乘降落傘下降的垂直著陸速度不大于13 m/s；

(4)回收分系統(tǒng)質(zhì)量不大于22 kg。

2 回收分系統(tǒng)方案

回收分系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)裝置、降落傘裝置、控制裝置、火工裝置組成。其中，結(jié)構(gòu)裝置用于容納降落傘及實現(xiàn)降落傘的連接與分離，降落傘裝置通過其充氣展開后的氣動阻力實現(xiàn)返回器減速，控制裝置用于在規(guī)定條件下控制降落傘開傘工作，火工裝置用于降落傘的彈射拉直及分離。

2.1 回收分系統(tǒng)工作過程

回收分系統(tǒng)工作過程為按照預先設(shè)定好的執(zhí)行程序進行的序列不可逆過程。嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)采用兩級降落傘減速方案，通過預置高度觸發(fā)降落傘開傘，回收分系統(tǒng)具體的工作程序如圖2所示。

圖2 回收分系統(tǒng)工作程序示意圖Fig.2 Diagram of working procedure of recovery system

(1)當返回器下降到11 km附近時，壓力高度控制器接通，啟動回收控制器中的時序功能模塊。

(2)回收控制器按設(shè)計要求接到壓力高度控制器接通信號后延時0.5 s發(fā)出彈蓋拉減速傘指令，彈射器工作，彈射傘艙蓋拉出減速傘。

(3)減速傘工作15 s達到穩(wěn)定狀態(tài)后，回收控制器發(fā)出脫減速傘指令。

(4)減速傘分離，拉出主傘，主傘呈收口狀工作。

(5)主傘收口工作8 s后解除收口，主傘完全充氣進一步減速。

(6)回收分系統(tǒng)啟動390 s后，主傘達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，回收控制器發(fā)出脫主傘保險解除指令。

(7)返回器乘主傘以小于13 m/s速度安全著陸。

(8)返回器著陸時通過過載開關(guān)發(fā)出著陸信號。

2.2 降落傘減速方案

嫦娥五號探測器返回器降落傘子系統(tǒng)采用由減速傘和主傘[2]構(gòu)成的兩個降落傘級，即由減速傘承受最大開傘速壓，并穩(wěn)定返回器的運動，為主傘開傘創(chuàng)造合適的條件，最后由主傘達到規(guī)定的傘降著陸速度[3]。同時主傘采用一次收口的方法，進一步控制各級開傘過載不致超出規(guī)定的限制要求。同時，為了避免傘艙蓋在分離后的下落過程中追撞降落傘-返回器組合體，確?；厥者^程的工作可靠性和安全性，在減速傘包內(nèi)增設(shè)了一個艙蓋傘，用于傘艙蓋的減速。降落傘子系統(tǒng)的組成如圖3所示，各級傘的主要參數(shù)見表1。

表1 各級降落傘主要特征參數(shù)表Table 1 Main characteristic parameters of parachutes

圖3 降落傘子系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Parachute subsystem composition diagram

一般常規(guī)的兩級降落傘減速方案均采用平衡兩級降落傘開傘載荷的設(shè)計方案，本系統(tǒng)采用阻力面積為1 m2的減速傘主要是從艙傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性和彈蓋拉傘兩方面來考慮的。由于返回器的總體布局要求，降落傘與返回器之間的連接點位于返回器的側(cè)面，且只能采用單點吊掛方式，同時返回器的質(zhì)量特性比較小，從而使得返回器的姿態(tài)更容易受各種干擾因素的影響，對返回器返回著陸過程中的艙傘系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來不利影響?？紤]到返回器的布局相當緊湊，為避免或減少降落傘吊帶與返回器間的相互磨損而導致降落傘系統(tǒng)工作失效，通過對物傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，采用阻力面積為1 m2的減速傘，可以減小開傘載荷，進而有利于艙傘系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，返回器傘艙蓋的質(zhì)量特性也比較小，且減速傘組件的質(zhì)量與傘艙蓋的質(zhì)量在同一數(shù)量級，相差不大，采用較小面積的減速傘，也即減小減速傘的質(zhì)量，從而可以減小傘艙蓋初始拉動傘包的拉力對傘艙蓋彈射分離過程的運動特性的影響，進而有利于彈蓋拉傘工作的可靠性。為了減小降落傘質(zhì)量，同時采用輕質(zhì)高強特紡材料將降落傘與返回器質(zhì)量比降低到了2.4%，實現(xiàn)降落傘輕量化設(shè)計。

2.3 彈蓋開傘方案

彈蓋開傘作為嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)第一個執(zhí)行動作，成功與否直接關(guān)系著整個降落傘系統(tǒng)工作的成敗[4]。由于嫦娥五號探測器返回器采用近似神舟飛船的縮比模型，傘艙布局在返回器的側(cè)向，同時傘艙口框的法線不過返回器的質(zhì)心，而返回器的質(zhì)量約為神舟飛船的1/4，返回器的轉(zhuǎn)動慣量約是神舟飛船的1/40～1/50；傘艙蓋的質(zhì)量約為神舟飛船的1/10，傘艙蓋的轉(zhuǎn)動慣量約是神舟飛船的1/40左右。基于上述特點將導致嫦娥五號返回器和傘艙蓋分離時及分離后的姿態(tài)影響比飛船的要大。此外，由于返回器不具有密封功能，傘艙蓋的分離還需要解決負壓彈蓋的問題。

綜合上述問題，對于嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)開傘方案設(shè)計，需要重點解決采用何種方式開傘、確定傘艙蓋的彈射分離速度、負壓彈蓋以及傘艙蓋與返回器的再次碰撞等幾個問題。

針對上述提到的幾個問題，通過多方案比較及仿真試驗，嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)開傘方案采用火工裝置彈射傘艙蓋，傘艙蓋通過連接帶與減速傘包相連，彈射傘艙蓋時拉出減速傘包打開減速傘。為了保證同步將傘艙蓋平穩(wěn)彈射分離，以及兼顧點火電流的限制，采用2組非電傳爆裝置驅(qū)動4個彈射器將傘艙蓋彈出(圖4)。設(shè)計傘艙蓋的彈射分離速度為22 m/s。

圖4 兩組4路非電傳爆裝置示意圖Fig.4 Two sets of four-way non-telex detonation devices

2.4 回收控制方案

圖5 回收控制功能原理框圖Fig.5 Schematic diagram of recovery control function

2.5 降落傘連接與分離方案

降落傘的可靠連接與分離是回收分系統(tǒng)各級降落傘順利工作最重要的因素之一，為了實現(xiàn)輕小型化要求，同時滿足布局約束要求，嫦娥五號探測器回收分系統(tǒng)主傘與減速傘都采用單點吊掛的方案，吊掛點的位置在傘艙頂部，通過連接分離機構(gòu)與返回器相連。為確保減速傘分離的可靠性，如圖6所示，減速傘的分離采用冗余設(shè)計，即在連接分離機構(gòu)底座上安裝兩個減速傘脫傘器，通過減速傘脫傘器的活塞回縮，解除對套筒的約束，實現(xiàn)減速傘的分離。套筒與減速傘脫傘器活塞配合設(shè)計，只要有一只活塞回縮減速傘載荷就能夠?qū)⑻淄怖撸瑥亩鴮崿F(xiàn)脫減速傘的冗余。

圖6 減速傘連接與分離方案示意圖Fig.6 Diagram of parachute connection and separation scheme

綜合上述降落傘減速方案、彈蓋開傘方案、回收控制方案、降落傘連接分離方案等回收分系統(tǒng)方案，嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)實測重量為21.6 kg，滿足不大于22 kg的要求，實現(xiàn)了回收分系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，達到了回收分系統(tǒng)輕小型化要求。

3 仿真及試驗驗證

3.1 彈蓋拉傘試驗驗證

針對嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)采用的通過傘艙蓋彈射分離的動能拉出并拉直減速傘的開傘方式[5]，以及采用艙蓋傘改變傘艙蓋運動特性避免發(fā)生傘艙蓋彈射分離后與返回器-降落傘系統(tǒng)碰撞風險的設(shè)計，為了驗證該設(shè)計的正確性及系統(tǒng)工作的可靠性，在研制過程中開展了地面彈蓋驗證試驗和火箭橇彈蓋拉傘驗證試驗。

地面彈蓋驗證試驗主要是為了驗證傘艙蓋彈射分離裝置的工作性能，艙蓋傘設(shè)計的合理性，減速傘拉直過程的可行性、合理性及彈射分離拉傘過程的可靠性，如圖7所示。地面彈蓋驗證試驗結(jié)果表明，傘艙蓋彈射分離并拉直減速傘方案設(shè)計合理、工作性能可靠穩(wěn)定。

圖7 地面彈蓋試驗情況Fig.7 Ground shell cover test

火箭橇彈蓋拉傘驗證試驗主要是為了驗證返回器動態(tài)彈蓋拉傘方案設(shè)計的可行性和工作的可靠性。試驗中返回器模型采用配平攻角安裝方式，為了模擬返回器正常返回狀態(tài)下彈蓋拉傘工作情況，如圖8所示。火箭橇彈蓋拉傘驗證試驗結(jié)果表明，正常返回狀態(tài)下返回器彈射傘艙蓋拉出并拉直減速傘工作可靠。

圖8 火箭橇試驗情況Fig.8 Rocket sled test

3.2 降落傘工作過程動力學仿真分析

針對嫦娥五號探測器返回器的回收過程，建立了返回器回收分系統(tǒng)工作過程的動力學仿真模型，對回收分系統(tǒng)正常返回標準工況進行了仿真分析，以考察整個降落傘系統(tǒng)工作過程的運動特性及設(shè)計的正確性。仿真結(jié)果表明，在正常返回條件下，降落傘系統(tǒng)運動學及動力學參數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi)，工作時序設(shè)計合理。

同時對正常返回回收分系統(tǒng)工作過程進行了正交試驗，仿真試驗中設(shè)置了18個偏差參數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果見表2所示。

起捕、催產(chǎn)過程中，拉網(wǎng)網(wǎng)眼要小、衣長、線軟，這樣對于提高起捕率、減少機械損傷大有益處。人工授精時，動作要快，盡量讓親魚不離水，帶水搬運，成熟度不夠的親魚不能僥幸催產(chǎn)。

表2 開傘過載和垂直著陸速度極值表Table 2 Extreme parachute opening overload and vertical landing speed

(1)減速傘開傘過載最大約為3.09gn，最小約為1.12gn；主傘一級開傘過載最大約為5.32gn，最小約為3.21gn；主傘二級開傘過載最大約為4.41gn，最小約為2.30gn。

(2)返回器乘降落傘減速后的垂直著陸速度最大約為12.89 m/s，最小約為10.91 m/s。

綜上結(jié)果，可以得出各級降落傘的開傘過載滿足不大于7gn的要求，垂直著陸速度滿足不大于13 m/s的要求。

3.3 空投試驗驗證

空投試驗是為了全面驗證回收分系統(tǒng)設(shè)計正確性、工作程序合理性、各裝置工作協(xié)調(diào)性以及主要技術(shù)指標滿足性的主要手段，也是獲取回收分系統(tǒng)工作可靠性數(shù)據(jù)最直接最重要途徑。

嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)全周期研制工作中，共進行了4批次共18架次的空投試驗[6-7]。采用2種不同外形模型進行試驗，完成了降落傘及系統(tǒng)性能試驗[8-10]、降落傘強度試驗及批抽檢試驗等。其中降落傘選型試驗、降落傘結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整等研制性試驗，共計6個架次，采用航彈模型，如圖9所示。降落傘及系統(tǒng)性能試驗、主傘強度試驗及批抽檢試驗，共計12架次，采用與返回器外形一致的全尺寸模型，如圖10所示，試驗中降落傘工作情況如圖11所示。

圖9 航彈模型Fig.9 Air bomb model

圖10 全尺寸模型Fig.10 Full size model of capsule

圖11 全尺寸模型空投試驗降落傘工作情況Fig.11 Parachute working of full-size model airdrop test

空投試驗的結(jié)果表明，回收分系統(tǒng)減速性能、降落傘工作動力學參數(shù)滿足返回器總體要求，系統(tǒng)各裝置工作協(xié)調(diào)。具體的試驗結(jié)果為：返回器乘主傘在1 km海拔高度處的垂直下降速度為11.06～11.98 m/s范圍內(nèi)(折算到310 kg著陸質(zhì)量的結(jié)果)，滿足不大于13 m/s的要求；各級降落傘開傘所產(chǎn)生的最大過載位于2.36gn～5.35gn范圍內(nèi)(折算到310 kg著陸質(zhì)量的結(jié)果，不考慮強度空投試驗等拉偏工況)，滿足不超過7gn的要求；減速傘和主傘的開傘動壓均有1.5倍的安全系數(shù)，減速傘能承受不小于9.5 kPa的開傘動壓，降落傘系統(tǒng)具有足夠的強度裕度。根據(jù)降落傘系統(tǒng)可靠性評估方法[9-10]，降落傘系統(tǒng)可靠性指標滿足要求。

4 飛行驗證

嫦娥五號探測器返回器于2020年11月24日04時30分在文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)歷了在軌11個飛行階段后，于2020年12月17日02時00分安全返回內(nèi)蒙古四子王旗著陸場。

通過分析返回器回收著陸過程中返回器過載GPS實測數(shù)據(jù)、回收彈道著陸場雷達測量數(shù)據(jù)、返回器實測落點數(shù)據(jù)，得出飛行任務(wù)中回收分系統(tǒng)如下工作性能結(jié)果。

(1)彈蓋拉減速傘至減速傘工作最大過載2.223gn，主傘收口工作最大過載5.088gn，主傘全裝滿工作最大過載4.505gn，主傘全張滿工作后返回器過載最終穩(wěn)定在1gn附近，滿足不大于7gn的要求。通過過載峰值出現(xiàn)的時間可以看出，回收分系統(tǒng)工作程序執(zhí)行結(jié)果滿足彈蓋后15.5 s脫減速傘拉出主傘、主傘收口工作8 s后解除收口全張滿工作的設(shè)計要求。返回艙乘降落傘下落過程中過載見圖12。

圖12 返回器乘降落傘下落過程中的過載Fig.12 Capsule overload during the parachute descent

(2)通過著陸場雷測高度數(shù)據(jù)結(jié)果計算得到垂直下降速度數(shù)據(jù)為12.80 m/s(高度3.16 km處)，經(jīng)密度折算后，得到著陸速度為11.48 m/s(1 km)，滿足不大于13 m/s的要求，開傘高度為11.4 km，滿足不小于10 km的要求。返回艙回收彈道結(jié)果見圖13。

圖13 返回器回收彈道結(jié)果Fig.13 Capsule recovery ballistic results

(3)經(jīng)過返回艙回收任務(wù)實施過程中風修正，實測落點經(jīng)緯度為東經(jīng)111°26′20″、北緯42°20′19″，相對于理論落點的距離為1356 m。返回器從30 km下降至2.7 km下落過程中星下點經(jīng)緯度見圖14。

圖14 返回器下落過程中星下點的經(jīng)緯度Fig.14 Latitude and longitude of the sub-satellite point during capsule descent

經(jīng)過嫦娥五號探測器返回器飛行任務(wù)回收過程中實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，回收分系統(tǒng)工作過程的程序執(zhí)行、開傘過載、返回器乘降落傘減速后的垂直著陸速度等關(guān)鍵性能指標都可以滿足飛行任務(wù)的要求(表3)，有力保證了返回器落點高精度實施結(jié)果。

表3 嫦娥五號回收分系統(tǒng)主要技術(shù)指標比對情況Table 3 Comparison of Chang’e-5 recovery system main technical indexes

比對嫦娥五號探測器飛行任務(wù)結(jié)果與仿真、空投試驗結(jié)果，可以看出：

(1)針對返回器乘降落傘減速后的垂直著陸速度，嫦娥五號探測器飛行任務(wù)結(jié)果在仿真和空投試驗結(jié)果包絡(luò)范圍內(nèi)，均滿足不大于13 m/s的要求；

(2)針對各級降落傘開傘過載，嫦娥五號探測器飛行任務(wù)結(jié)果在空投試驗結(jié)果和仿真結(jié)果包絡(luò)范圍內(nèi)，均滿足不大于7gn的要求。

綜合上述結(jié)果表明，嫦娥五號探測器返回器回收分系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，成功完成了嫦娥五號探測器返回器回收任務(wù)。

5 結(jié)束語

針對嫦娥五號返回器回收的初始條件、約束條件以及返回器的相關(guān)特點，通過大量的仿真分析、地面試驗和空投試驗等，采用非常規(guī)的兩級降落傘減速方案，研制出了一套適用于半彈道跳躍式返回輕小型航天器的輕量化、高可靠回收分系統(tǒng)，解決了嫦娥五號返回器降落傘開傘載荷、結(jié)構(gòu)布局、開傘脫傘可靠性、艙傘穩(wěn)定性等系統(tǒng)匹配性設(shè)計難題。在嫦娥五號月球無人采樣返回任務(wù)中，回收分系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、可靠，開傘過程正常、回收指令發(fā)出正確，回收著陸過程中各動作均準確執(zhí)行，各項技術(shù)指標滿足要求，確保了嫦娥五號返回器攜帶月球樣品安全返回著陸回收。