超级军网俄罗斯试验用于回收轨道货物的新型航天器
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/05/05 05:45:26
新华网莫斯科10月7日电 (记者魏忠杰) 当地时间7日凌晨，俄罗斯利用水下发射的“海浪”运载火箭将俄罗斯和欧洲合作研制的“演示者-2P”试验型航天器送入轨道，35分钟后航天器成功降落在堪察加半岛的库拉导弹试验靶场。
据俄联邦航天署发布的消息，俄位于巴伦支海的“鲍里斯戈列布斯克”号核潜艇(“海豚级”核潜艇)于莫斯科时间1点30分(北京时间5点30分)自水下发射“海浪”型二级液体燃料运载火箭，并将“演示者-2P”试验型航天器送入亚轨道。35分钟后，航天器成功降落在俄罗斯的导弹试验靶场——位于堪察加半岛的库拉靶场。
“演示者-2P”试验型航天器实际上是一个可以盛放货物的充气装置，由俄罗斯与欧洲航天部门合作研制而成，其试验目的是将来用于从国际空间站向地面运送货物。按照计划，将来“演示者”将被发送到国际空间站。等空间站试验数据等有效载荷达到一定数量时，“演示者”航天器将搭载着货物从国际空间站分离并返回地面。在进入地球大气层前航天器大量充氮并完全打开，成为一个倒立的圆锥体，搭载着货物在地球表面实现软着陆。
俄航天专家介绍说，将来这种航天器将可以从轨道上往地面“空投”重达几吨的货物。与美国航天飞机从国际空间站运送货物相比，使用这种航天器“空投”轨道货物可以大大降低运送费用。除了从国际空间站“空投”货物，将来这种航天器还可以用于紧急情况下转移空间站宇航员，并用于在火星等其他星球实现软着陆。
以前俄曾进行过3次“演示者”试验型航天器试验，都因为天气或运载火箭技术故障原因而未能检验航天器本身的技术性能新华网莫斯科10月7日电 (记者魏忠杰) 当地时间7日凌晨，俄罗斯利用水下发射的“海浪”运载火箭将俄罗斯和欧洲合作研制的“演示者-2P”试验型航天器送入轨道，35分钟后航天器成功降落在堪察加半岛的库拉导弹试验靶场。
据俄联邦航天署发布的消息，俄位于巴伦支海的“鲍里斯戈列布斯克”号核潜艇(“海豚级”核潜艇)于莫斯科时间1点30分(北京时间5点30分)自水下发射“海浪”型二级液体燃料运载火箭，并将“演示者-2P”试验型航天器送入亚轨道。35分钟后，航天器成功降落在俄罗斯的导弹试验靶场——位于堪察加半岛的库拉靶场。
“演示者-2P”试验型航天器实际上是一个可以盛放货物的充气装置，由俄罗斯与欧洲航天部门合作研制而成，其试验目的是将来用于从国际空间站向地面运送货物。按照计划，将来“演示者”将被发送到国际空间站。等空间站试验数据等有效载荷达到一定数量时，“演示者”航天器将搭载着货物从国际空间站分离并返回地面。在进入地球大气层前航天器大量充氮并完全打开，成为一个倒立的圆锥体，搭载着货物在地球表面实现软着陆。
俄航天专家介绍说，将来这种航天器将可以从轨道上往地面“空投”重达几吨的货物。与美国航天飞机从国际空间站运送货物相比，使用这种航天器“空投”轨道货物可以大大降低运送费用。除了从国际空间站“空投”货物，将来这种航天器还可以用于紧急情况下转移空间站宇航员，并用于在火星等其他星球实现软着陆。
以前俄曾进行过3次“演示者”试验型航天器试验，都因为天气或运载火箭技术故障原因而未能检验航天器本身的技术性能
据俄联邦航天署发布的消息，俄位于巴伦支海的“鲍里斯戈列布斯克”号核潜艇(“海豚级”核潜艇)于莫斯科时间1点30分(北京时间5点30分)自水下发射“海浪”型二级液体燃料运载火箭，并将“演示者-2P”试验型航天器送入亚轨道。35分钟后，航天器成功降落在俄罗斯的导弹试验靶场——位于堪察加半岛的库拉靶场。
“演示者-2P”试验型航天器实际上是一个可以盛放货物的充气装置，由俄罗斯与欧洲航天部门合作研制而成，其试验目的是将来用于从国际空间站向地面运送货物。按照计划，将来“演示者”将被发送到国际空间站。等空间站试验数据等有效载荷达到一定数量时，“演示者”航天器将搭载着货物从国际空间站分离并返回地面。在进入地球大气层前航天器大量充氮并完全打开，成为一个倒立的圆锥体，搭载着货物在地球表面实现软着陆。
俄航天专家介绍说，将来这种航天器将可以从轨道上往地面“空投”重达几吨的货物。与美国航天飞机从国际空间站运送货物相比，使用这种航天器“空投”轨道货物可以大大降低运送费用。除了从国际空间站“空投”货物，将来这种航天器还可以用于紧急情况下转移空间站宇航员，并用于在火星等其他星球实现软着陆。
以前俄曾进行过3次“演示者”试验型航天器试验，都因为天气或运载火箭技术故障原因而未能检验航天器本身的技术性能新华网莫斯科10月7日电 (记者魏忠杰) 当地时间7日凌晨，俄罗斯利用水下发射的“海浪”运载火箭将俄罗斯和欧洲合作研制的“演示者-2P”试验型航天器送入轨道，35分钟后航天器成功降落在堪察加半岛的库拉导弹试验靶场。
据俄联邦航天署发布的消息，俄位于巴伦支海的“鲍里斯戈列布斯克”号核潜艇(“海豚级”核潜艇)于莫斯科时间1点30分(北京时间5点30分)自水下发射“海浪”型二级液体燃料运载火箭，并将“演示者-2P”试验型航天器送入亚轨道。35分钟后，航天器成功降落在俄罗斯的导弹试验靶场——位于堪察加半岛的库拉靶场。
“演示者-2P”试验型航天器实际上是一个可以盛放货物的充气装置，由俄罗斯与欧洲航天部门合作研制而成，其试验目的是将来用于从国际空间站向地面运送货物。按照计划，将来“演示者”将被发送到国际空间站。等空间站试验数据等有效载荷达到一定数量时，“演示者”航天器将搭载着货物从国际空间站分离并返回地面。在进入地球大气层前航天器大量充氮并完全打开，成为一个倒立的圆锥体，搭载着货物在地球表面实现软着陆。
俄航天专家介绍说，将来这种航天器将可以从轨道上往地面“空投”重达几吨的货物。与美国航天飞机从国际空间站运送货物相比，使用这种航天器“空投”轨道货物可以大大降低运送费用。除了从国际空间站“空投”货物，将来这种航天器还可以用于紧急情况下转移空间站宇航员，并用于在火星等其他星球实现软着陆。
以前俄曾进行过3次“演示者”试验型航天器试验，都因为天气或运载火箭技术故障原因而未能检验航天器本身的技术性能
相关主题介绍
充气防热罩技术发展现状
夏 刚 秦子增 张晓今
（国防科技大学航天与材料工程学院，长沙，410073）
摘要 充气防热罩是近几年发展起来的一项新型航天回收技术，以其低成本、高可靠性的优点受到国际航天界的瞩目。文章综合分析了该技术在国外的发展历程及现状，并对开展该项研究应注意的关键技术等问题提出了建议。
关键词 充气结构，防热罩，航天器回收，气动制动，大气再入。
Development Status of Inflatable Thermal Shield Technology
Xia Gang Qin ZizengZhang Xiaojin
（National University of Defense Technology, Changsha，410073）
Abstract With its outstanding features of high reliability and low cost, the newly developed inflatable thermal shield technology becomes the focus of attention. This paper discusses its past history and the stateoftheart in other countries，as well as the advices for urgent research requirements and possible solutions of our own.
Key Words Inflatable structure，Thermal protective enclosure，Space recovery，Aerobreaking，Atmospheric reentry.
1 前言
2000年2月9日，位于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场，一枚联盟号火箭腾空而起，像历次发射任务一样将载荷准确地送入预定轨道。这对地面工作人员来说只是再寻常不过的一次发射，然而欧空局（ESA）和俄罗斯Lavochkin公司的科研人员却格外关注这次飞行任务，如果试验成功，这意味着世界航天回收技术史将掀开崭新的一页。
此次飞行目的是检验ESA与俄罗斯联合研制的充气再入与降落技术（IRDT）［1］，这是俄罗斯的IRDT技术首次得到再入大气飞行验证。据悉，返回载荷在俄罗斯境内安全着陆，并带回大量的再入过程试验数据。ESA宣称此次IRDT技术试验已获得成功。这意味着IRDT技术已逐渐成熟并进一步向商业化发展。
IRDT又称充气防热罩（ITS）、充气回收飞行器，各自特征稍有区别，而充气防热罩能够比较形象地反映该技术特征，为统一起见下文将它们统称ITS。
与传统的回收系统不同的是，ITS是由耐高温编织物折叠包裹在返回载荷外围形成防热罩，在进入大气前充气成型，以倒锥外形包裹保护返回载荷并有效地进行气动减速，下降途中根据需要可以数次充气以增加迎风阻力面积，最后ITS减速到许可的着陆速度范围撞击陆地或溅落海中。
ESA的专家们为ITS描绘了广阔的应用前景，目前美、俄、德等国都加紧了对ITS的研制步伐。
2 ITS技术的发展
ITS技术引起世人关注只是最近几年的事，然而早在几十年前国外就开始了相关的研究工作，主要集中于ESA以及航天大国俄罗斯和美国。
2.1 美国
长期以来，美国国家航宇局(NASA)就一直把气动减速技术作为航天人员、试验物以及昂贵的硬件设施在未来地球大气再入和火星开发任务中能否安全成功回收与投放的关键。早期的气动减速技术研究选择倒锥形作为理想的减速防热外形，例如1989年发射的伽利略号空间探测器采用了耐高温的倒锥形外壳，当以170 000 km/h的高速进入木星大气层时保护探测器并逐渐减速。
使用可折叠的充气结构回收有价值的空间设备以便维修后再次投入运行，这一想法NASA已经酝酿了多年。
1962年，美国一家著名的航天公司在为军方研制可重复使用运载器时，对充气翼伞、高超声速充气滑翔机、减速型助推器、球-锥-柱-裙组合体以及充气阻力锥这5种回收系统作了比较［2］。研究发现，一个全展开后直径68.89 m，高83.21 m的充气阻力锥系统能够胜任直径15.24 m，高83.21 m的运载器或其他载荷的回收工作。因此充气阻力锥被认为总体性能最佳——最高的效费比和最简单的系统结构。
此外，在20世纪的六七十年代，NASA曾热衷于附体型充气减速器(AID)的研究试验工作。AID的特点是在返回舱的底部附接充气减速器，发射与在轨阶段充气减速器折叠在返回舱底部几乎不占用额外的空间，充气后形成巨大的阻力锥用于减速。AID可以看成是ITS的前身，区别在于AID的防热主要还是依靠返回舱本身来完成，因此在设计返回舱时还要为头部防热量身定做，而且返回舱的头部需要设计成钝头锥形以配合AID充气后的整体外形。但是与传统的回收系统相比，AID抛弃了降落伞系统，无论从体积还是重量上都降低了发射成本。这个阶段的研究工作积累了大量的试验数据和经验，为后来ITS技术的产生奠定了基础。
1986~1989年，位于俄罗斯勒冈州的航天回收系统公司（ARS）研制出一种改进的充气型载荷投放回收系统，称充气回收飞行器（IRV）［2］，并申请了美国专利。1990年，IRV的概念验证样机进行大气投放试验并取得成功。1998年，该项成果获得美国小企业创新研究项目奖励基金。
从一般意义上讲，IRV是用于载人或不载人任务的可充气倒锥形减速系统。初始时由柔性编织物制成的IRV折叠在返回舱内部或包裹在外围，在进入大气时能够自动充气展开，包裹返回舱使之远离气动加热的影响。IRV的充气外形要求能够自动稳定，然后不断减速、下降，直至安全着陆。着陆时要求避免载荷受到过度冲击，如果溅落在海水中则不允许返回舱脱落或被浸没。
目前，还没有公开发表的文献表明美国将在航天回收任务中试验该项技术，但是相关的研究工作正在不断进行之中。
2.2 俄罗斯和ESA
在ESA和德国DASA的协作下，俄罗斯的IRDT技术在国际上率先付诸飞行实践。
早在1996年，位于莫斯科近郊航天城的Lavochkin航天公司就试图在多国联合的“Mars 96”火星着陆任务中试验IRDT技术，但是由于火箭升空后未能正常入轨，导致该试验计划落空。此后4年中，Lavotchkin对IRDT技术的材料研究又有了许多进展。
IRDT技术最为突出的优点是防热材料的质量非常小。正是由于Lavochkin公司在轻质防热材料的研制方面取得独创性的进展，IRDT技术才显示出它低费用的优势。IRDT技术的工作原理与美国的IRV类似(见图1)，先是折叠在返回舱外围，充气后生成巨大的倒锥形防热外壳，同时起着气动减速的作用。防热外壳起初可以压缩至非常小的体积，并装在航天飞行器上随返回舱一起飞行直到再入阶段。再入大气后不久，防热外壳迅速充气，充当起传统回收系统中防热大底和减速伞的功能，然后一直减速到返回舱安全着陆。与IRV不同的是，俄罗斯的IRDT技术目前没有考虑着陆缓冲设计，而是减速到安全着陆速度后直接撞击地面，在此条件下返回舱并不会遭受破坏。
图1ITS再入过程示意图
图2抽象化地描述了防热罩充气后的工作状态。图中返回舱被包裹在巨大的充气柔性舱内，使它与外部的高温隔离。
在充气防热罩的头部是特殊材料制作的防烧蚀顶盖，以抵御局部的高热流密度。
图2ITS概念图
2.3 其他国家
世界上其他几个主要的航天大国，如日本和印度暂时还未见到开展ITS项目研究的公开报道。在我国，ITS技术已经引起航天专家们的注意，有关预研项目正在筹划之中，但是真正的研究工作还没有具体开展。
3 ITS技术与传统回收系统的比较
对于弹道式和弹道升力式返回的飞船而言，传统的回收技术是：飞船在100 km高度再入大气，依靠其外形产生的气动阻力减速，大约在10 km高度减速到100～200 m/s，然后通过减速系统使飞船的下落速度减到安全着陆速度，并借助着陆缓冲装置避免返回舱结构受到过大的冲击载荷。
尽管由降落伞和着陆缓冲装置构成的回收系统在目前的飞船返回任务中得到了多次成功的应用，但是由于系统的复杂性，也暴露出许多问题，致使在此系统基础上所做的任何改进都显得步履维艰。首先是降落伞系统的设计比较复杂，目前降落伞系统一般由引导伞、减速伞和主伞组成，利用分步减速以减小开伞冲击过载，其中每个步骤都依赖于前面环节的顺利完成，一旦某个环节失败将给后续步骤带来不利；其次，基于目前的回收系统，飞船着陆的一般程序包括准备状态、减速伞第1步减速、主伞第2步减速、抛防热大底和着陆缓冲装置工作等五大步骤，着陆系统的工作程序越多，带来的可靠性问题也就越突出；再者，以降落伞着陆火箭系统为例，防热大底、着陆火箭在整个回收系统质量中占有较大比例，使飞船的发射费用居高不下。
在相同净回收载荷的前提下，用传统回收系统的水星号返回舱与ITS回收系统进行对比的结果见表1。从回收系统总重看，ITS只有水星号的15％，而它的再入阻力面积却达到水星号的6倍多。峰值温度的差距也非常明显，ITS的再入最高温度比水星号低40％。
表1ITS技术与传统回收系统比较
各项参数 有效载荷净重
kg 回收系统总重
W/kg 再入阻
力面积A/m2 阻力系数CD 再入最
高温度
°C
水星号
返回舱 90.7 1 354.6 2.97 0.65 153 1 649
ITS回
收系统 90.7 204.1 18.7 1.0 2.24 964.5
因此与传统的降落伞回收系统相比，充气防热罩技术突出的优点有：
a) 充气防热罩几乎适合任意外形的返回舱，使返回舱外形的设计不再局限于大钝头等气动减速外形。以阿波罗飞船返回舱为例，考虑到减速和防热要求，设计成大钝头倒锥形实出不得已。如果采用ITS回收系统，则可以放宽返回舱的外形设计要求，理论上甚至允许是任意外形，使得采用ITS的返回舱能够更加合理布局，更适合载人飞行和空间实验的要求。
b) 更小的体积和重量使航天发射成本大幅度降低。ITS技术采用轻质柔性编织材料，在发射时可以折叠在非常小的容积内，因此体积小质量轻是ITS最显著的特点，使回收系统在航天发射中的比重降低，从而节约发射成本。ITS迎合了当前航天界对降低发射成本的要求，因而有着广阔的应用前景。
c) 它将再入过程的防热、减速和着陆减振功能集成在一起，简化了回收系统的设计，从这个意义上讲，增强了回收系统的可靠性。ITS在气动加热方面没有传统回收方式那么严重，为研制合适的防热材料提供了有利条件；充气后的ITS重心位于锥顶，飞行稳定性好；着陆时ITS可保护载荷免受冲击，溅落海中可保持载荷漂浮在水面而不被浸没。
d) ITS高可靠性和低发射成本的优点使未来航天回收及投放任务的风险降低，从而可以减少目前仍居高不下的巨额保险费（约占发射费用的10％～20％）。这反过来又促进了ITS在未来空间任务中的应用。
总之，充气防热罩技术体现了朴素的设计思想，集成了各种传统回收系统的功能，减少了研制过程中牵涉的技术环节，使整个系统更加易于实现。
4 ITS的关键技术
ITS技术发展至今已经历了数十年，之所以到近年才浮出水面，主要归功于美、俄等国在若干关键技术领域取得了突破性进展。ITS的关键技术涵盖多学科领域，如果按其重要性排序当首推材料技术。
4.1 轻质柔性耐高温材料技术
轻质防热材料的设计无疑是ITS技术的核心。早在20世纪60年代，美国就提出过类似的可充气回收系统的概念，但是直到最近10年，由于材料技术的进步，这一概念才逐步转变为现实。根据回收任务工作环境的特点，对材料热力学和力学性能都有比较高的要求，比如比重小、强度高、承受冲击能力强和耐高温等。热力学方面，材料本身至少要能承受1 000 °C的高温，由于局部（例如迎风的头部）的热流密度较大，因此在温度特别高的局部，还需要采取一些特殊措施，进行防热防烧蚀处理。据初步了解，俄罗斯IRDT技术中使用了一种类似橡胶的以SiO2为基的复合材料［3］，而美国的IRV系统则采用3M公司的可以承受1 400 °C高温的NEXTEL纤维。力学方面，对材料的抗剪切能力有很高的要求，同时要求有一定的弹性。由于经历了高温环境，必须考虑到材料在高温下的变形及其它性能的变化。为了保持返回舱的飞行稳定性，在ITS每次充气后，防热外壳的形状尺寸不应随温度变化，否则实际的飞行轨道和着陆速度就会偏离设计值，这就对材料在高温下的变形提出严格的限制。
综合来说，IRDT技术的材料应该满足以下4个条件：
a) 质量轻。系统整体质量的限制要求ITS材料的质量特性尽可能达到最优，质量小可以降低航天发射任务的费用，才能体现出ITS技术的优势。所以在满足力学、热力学指标的前提下，质量最轻是材料研究追求的目标。
b) 高强度和高韧性。ITS模块传递巨大的气动阻力给返回舱，其内部应力主要表现为拉应力，此外充气时会产生一定的动载，这对材料的抗拉能力提出了更高要求；编织物之间的缝合以及着陆缓冲时与地面的撞击需要材料具备很高的韧性。虽然俄罗斯的ITS技术暂时没有涉及着陆缓冲方面的讨论，但从ESA分析的发展趋势看，下一步将会把着陆阶段的减振设计集成到ITS模块中。
c) 气密性好。也就是要求材料的气体渗漏性极低，因为在整个回收过程中，ITS的防热外壳都需要维持其内部的气压以保持减速外形。
d) 在高温（1 000 °C）下保持材料力学特性的能力。
目前，无论是美国还是俄罗斯，在IRDT材料的研制过程中基本上遵循这样一种思路：选择高强度的纤维作基体材料满足力学要求，然后寻找一种耐高温材料作基体材料的表面涂层——现在用的比较多的是硅树脂。国外已经研制了多种防热硅树脂，其中部分已经产品化、系列化。
4.2 充气机构设计
气源方面，暂时不考虑气体以外的物质，例如通过化学反应产生气体的气体发生装置。俄罗斯在此次试验中采用了氦气。氦气是最轻的惰性气体，而且液态氦易于运输和存储，所以在航天任务的充气机构中成为首选气体。氦运输成本低的特点满足了ITS技术“低费用”的总体需要。
结合俄罗斯的IRDT演示舱，可以了解充气机构的大致结构。球状液氦储罐位于演示舱顶部，在锥形的刚性顶盖内部折叠了柔性的ITS编织材料（见图3）。充气机构动作后，高压气体进入同样由柔性材料编织而成的直管和环形管路，使管路膨胀接近刚性体。充气后的管路成为ITS系统的框架，致密的编织材料将框架连接成高强度的锥体（见图4），能够承受再入环境下高超声速气流的冲击载荷。
图3折叠中的ITS系统
4.3 ITS布局与折叠包装技术
在降落伞回收系统中，伞的包装与折叠技术关系到回收系统的合理布局和空间的有效利用，在ITS回收系统中同样如此。ITS的防热罩是由柔性编织物制作而成，它与返回舱的结合既要考虑充分利用空间使整个回收系统体积尽可能小，又要注重充气展开机构的工作性能以保证足够的可靠性。此外，充气机构的布局直接影响返回舱的安放位置以及整体重心，从而影响到系统的稳定性和返回轨道。
图4展开后的ITS系统
5 结束语
归纳起来，ITS的特点体现在：a) 可靠性高，质量轻，设计简单，并可由纤维材料编织而成（容易满足外形要求）；b) 充气展开系统简单可靠；c) 再入过程返回载荷始终受到保护；d) 飞行稳定性好。
出色的性能使ITS技术在未来的航天领域有着广泛的应用前景：
a) 再入地球和进入行星大气的应用。本文是以返回舱的地球大气再入环境为前提介绍ITS技术的，事实上ITS可以用于任何存在大气的星球探测任务，特别是火星探测与登陆计划以及行星星际飞行探测行动。
b) 用于国际空间站的实验结果回收，例如将装有微重力实验装置的ITS系统与空间站相连接，经过若干飞行周期的实验后再将ITS系统变轨再入返回地面。
c) 作为飞行员和宇航员逃逸救生系统。由于可靠性高，将来ITS技术有望取代降落伞系统成为飞行员和宇航员紧急逃逸救生的主要手段。
d) 用于可重复使用飞行器（RLV）的研制和回收，包括可重复使用的部件。例如运载器的上面级价值昂贵，经简单维护后可多次重复使用。过去试图用降落伞系统回收，但是发射质量的剧增使得对上面级的回收得不偿失。ITS技术以其质量轻、体积小的优势满足了需要，加速了运载器上面级回收的实现。例如本文开头介绍的ESA与俄罗斯的验证试验任务之一就是回收联盟号火箭的Fregat上面级。
联系国内现阶段的情况，至今还未开始ITS技术的论证工作，所需的耐高温轻质柔性材料也缺乏必要的技术储备，因此如果目前开展研究还有许多问题等待解决。但是作为航天回收系统的最新技术之一，特别是在俄罗斯与ESA的联合试验取得初步成功之后，该技术已经引起国内航天领域专家们的高度重视。从国内的经济实力和航天领域的发展状况分析，应结合国情有重点开展工作，有所为，有所不为，不能完全跟在别人后面走。既不可能像美国那样，投入大量资金进行风洞和空投试验，也不比俄罗斯有强大的航天军工制造实力。但可以分步骤实施ITS技术研制计划。先开展总体论证工作，提出ITS技术实现过程中的几项关键技术指标，然后有重点地进行相应的关键技术研究工作，并首先确保实现可能性较大的技术。等关键技术积累比较成熟后，可以研制原型机进行风洞实验模拟大气再入的工作环境，并适当地进行空投和着陆冲击试验以检验安全着陆性能。
第1阶段的总体论证工作首先需要考察ITS结构设计技术，包括再入轨道设计、充气机构、充气外形设计、ITS外形的空气动力和热力学分析、飞行稳定性和充气过程特性分析、再入过程载荷计算、充气方案设计、着陆缓冲方案等前期准备任务。在这个阶段，主要的研究技术途径是在充分借鉴已有的实验数据的基础上，依靠理论分析与计算，具体说就是空气动力学和结构动力学的数值计算以及它们的耦合计算、再入轨道优化设计等数值分析手段。如果条件许可，应该结合适当的实验工作，以获得最接近实际飞行环境的数据，并对数值计算方法起验证作用。当总体论证工作结束时，应当对材料、ITS结构设计和ITS布局与包装等关键技术的具体指标，例如材料的强度、高温特性和柔韧性等技术要求。随着对ITS技术认识的不断深入，初期对关键技术的某些分析可能需要修改，因此在总体论证阶段结束还应该重新评估关键技术的划分。
第2阶段，重点投入解决关键技术。在总体论证给出材料的特性参数之后，耐高温轻质柔性材料的研制工作可以单独进行。ITS模块的布局和折叠包装技术与结构设计相互影响，结构设计需要考虑ITS模块在返回舱内的布局与包装，因此这两项关键技术应该同步研制。作为远期目标，第3阶段的任务是依靠前一阶段的技术储备，制造出ITS的原型机。这个阶段的技术手段以实验为主，例如，利用高温、高焓、风洞模拟可以再入的高温，用高超音速风洞实验可以模拟ITS再入时承受的空气动力载荷，用高塔投放或机载空投实验不但能够考察ITS充气过程的稳定性和飞行特性，还为着陆冲击过程积累重要的实验数据。如果地面实验一切顺利，可以选择合适的机会将ITS模块搭载到航天任务中，在真实的空间飞行环境中检验ITS的全程工作性能，为ITS在空间实际应用上完成最后一个环节的试验。
充气防热罩技术发展现状
夏 刚 秦子增 张晓今
（国防科技大学航天与材料工程学院，长沙，410073）
摘要 充气防热罩是近几年发展起来的一项新型航天回收技术，以其低成本、高可靠性的优点受到国际航天界的瞩目。文章综合分析了该技术在国外的发展历程及现状，并对开展该项研究应注意的关键技术等问题提出了建议。
关键词 充气结构，防热罩，航天器回收，气动制动，大气再入。
Development Status of Inflatable Thermal Shield Technology
Xia Gang Qin ZizengZhang Xiaojin
（National University of Defense Technology, Changsha，410073）
Abstract With its outstanding features of high reliability and low cost, the newly developed inflatable thermal shield technology becomes the focus of attention. This paper discusses its past history and the stateoftheart in other countries，as well as the advices for urgent research requirements and possible solutions of our own.
Key Words Inflatable structure，Thermal protective enclosure，Space recovery，Aerobreaking，Atmospheric reentry.
1 前言
2000年2月9日，位于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场，一枚联盟号火箭腾空而起，像历次发射任务一样将载荷准确地送入预定轨道。这对地面工作人员来说只是再寻常不过的一次发射，然而欧空局（ESA）和俄罗斯Lavochkin公司的科研人员却格外关注这次飞行任务，如果试验成功，这意味着世界航天回收技术史将掀开崭新的一页。
此次飞行目的是检验ESA与俄罗斯联合研制的充气再入与降落技术（IRDT）［1］，这是俄罗斯的IRDT技术首次得到再入大气飞行验证。据悉，返回载荷在俄罗斯境内安全着陆，并带回大量的再入过程试验数据。ESA宣称此次IRDT技术试验已获得成功。这意味着IRDT技术已逐渐成熟并进一步向商业化发展。
IRDT又称充气防热罩（ITS）、充气回收飞行器，各自特征稍有区别，而充气防热罩能够比较形象地反映该技术特征，为统一起见下文将它们统称ITS。
与传统的回收系统不同的是，ITS是由耐高温编织物折叠包裹在返回载荷外围形成防热罩，在进入大气前充气成型，以倒锥外形包裹保护返回载荷并有效地进行气动减速，下降途中根据需要可以数次充气以增加迎风阻力面积，最后ITS减速到许可的着陆速度范围撞击陆地或溅落海中。
ESA的专家们为ITS描绘了广阔的应用前景，目前美、俄、德等国都加紧了对ITS的研制步伐。
2 ITS技术的发展
ITS技术引起世人关注只是最近几年的事，然而早在几十年前国外就开始了相关的研究工作，主要集中于ESA以及航天大国俄罗斯和美国。
2.1 美国
长期以来，美国国家航宇局(NASA)就一直把气动减速技术作为航天人员、试验物以及昂贵的硬件设施在未来地球大气再入和火星开发任务中能否安全成功回收与投放的关键。早期的气动减速技术研究选择倒锥形作为理想的减速防热外形，例如1989年发射的伽利略号空间探测器采用了耐高温的倒锥形外壳，当以170 000 km/h的高速进入木星大气层时保护探测器并逐渐减速。
使用可折叠的充气结构回收有价值的空间设备以便维修后再次投入运行，这一想法NASA已经酝酿了多年。
1962年，美国一家著名的航天公司在为军方研制可重复使用运载器时，对充气翼伞、高超声速充气滑翔机、减速型助推器、球-锥-柱-裙组合体以及充气阻力锥这5种回收系统作了比较［2］。研究发现，一个全展开后直径68.89 m，高83.21 m的充气阻力锥系统能够胜任直径15.24 m，高83.21 m的运载器或其他载荷的回收工作。因此充气阻力锥被认为总体性能最佳——最高的效费比和最简单的系统结构。
此外，在20世纪的六七十年代，NASA曾热衷于附体型充气减速器(AID)的研究试验工作。AID的特点是在返回舱的底部附接充气减速器，发射与在轨阶段充气减速器折叠在返回舱底部几乎不占用额外的空间，充气后形成巨大的阻力锥用于减速。AID可以看成是ITS的前身，区别在于AID的防热主要还是依靠返回舱本身来完成，因此在设计返回舱时还要为头部防热量身定做，而且返回舱的头部需要设计成钝头锥形以配合AID充气后的整体外形。但是与传统的回收系统相比，AID抛弃了降落伞系统，无论从体积还是重量上都降低了发射成本。这个阶段的研究工作积累了大量的试验数据和经验，为后来ITS技术的产生奠定了基础。
1986~1989年，位于俄罗斯勒冈州的航天回收系统公司（ARS）研制出一种改进的充气型载荷投放回收系统，称充气回收飞行器（IRV）［2］，并申请了美国专利。1990年，IRV的概念验证样机进行大气投放试验并取得成功。1998年，该项成果获得美国小企业创新研究项目奖励基金。
从一般意义上讲，IRV是用于载人或不载人任务的可充气倒锥形减速系统。初始时由柔性编织物制成的IRV折叠在返回舱内部或包裹在外围，在进入大气时能够自动充气展开，包裹返回舱使之远离气动加热的影响。IRV的充气外形要求能够自动稳定，然后不断减速、下降，直至安全着陆。着陆时要求避免载荷受到过度冲击，如果溅落在海水中则不允许返回舱脱落或被浸没。
目前，还没有公开发表的文献表明美国将在航天回收任务中试验该项技术，但是相关的研究工作正在不断进行之中。
2.2 俄罗斯和ESA
在ESA和德国DASA的协作下，俄罗斯的IRDT技术在国际上率先付诸飞行实践。
早在1996年，位于莫斯科近郊航天城的Lavochkin航天公司就试图在多国联合的“Mars 96”火星着陆任务中试验IRDT技术，但是由于火箭升空后未能正常入轨，导致该试验计划落空。此后4年中，Lavotchkin对IRDT技术的材料研究又有了许多进展。
IRDT技术最为突出的优点是防热材料的质量非常小。正是由于Lavochkin公司在轻质防热材料的研制方面取得独创性的进展，IRDT技术才显示出它低费用的优势。IRDT技术的工作原理与美国的IRV类似(见图1)，先是折叠在返回舱外围，充气后生成巨大的倒锥形防热外壳，同时起着气动减速的作用。防热外壳起初可以压缩至非常小的体积，并装在航天飞行器上随返回舱一起飞行直到再入阶段。再入大气后不久，防热外壳迅速充气，充当起传统回收系统中防热大底和减速伞的功能，然后一直减速到返回舱安全着陆。与IRV不同的是，俄罗斯的IRDT技术目前没有考虑着陆缓冲设计，而是减速到安全着陆速度后直接撞击地面，在此条件下返回舱并不会遭受破坏。
图1ITS再入过程示意图
图2抽象化地描述了防热罩充气后的工作状态。图中返回舱被包裹在巨大的充气柔性舱内，使它与外部的高温隔离。
在充气防热罩的头部是特殊材料制作的防烧蚀顶盖，以抵御局部的高热流密度。
图2ITS概念图
2.3 其他国家
世界上其他几个主要的航天大国，如日本和印度暂时还未见到开展ITS项目研究的公开报道。在我国，ITS技术已经引起航天专家们的注意，有关预研项目正在筹划之中，但是真正的研究工作还没有具体开展。
3 ITS技术与传统回收系统的比较
对于弹道式和弹道升力式返回的飞船而言，传统的回收技术是：飞船在100 km高度再入大气，依靠其外形产生的气动阻力减速，大约在10 km高度减速到100～200 m/s，然后通过减速系统使飞船的下落速度减到安全着陆速度，并借助着陆缓冲装置避免返回舱结构受到过大的冲击载荷。
尽管由降落伞和着陆缓冲装置构成的回收系统在目前的飞船返回任务中得到了多次成功的应用，但是由于系统的复杂性，也暴露出许多问题，致使在此系统基础上所做的任何改进都显得步履维艰。首先是降落伞系统的设计比较复杂，目前降落伞系统一般由引导伞、减速伞和主伞组成，利用分步减速以减小开伞冲击过载，其中每个步骤都依赖于前面环节的顺利完成，一旦某个环节失败将给后续步骤带来不利；其次，基于目前的回收系统，飞船着陆的一般程序包括准备状态、减速伞第1步减速、主伞第2步减速、抛防热大底和着陆缓冲装置工作等五大步骤，着陆系统的工作程序越多，带来的可靠性问题也就越突出；再者，以降落伞着陆火箭系统为例，防热大底、着陆火箭在整个回收系统质量中占有较大比例，使飞船的发射费用居高不下。
在相同净回收载荷的前提下，用传统回收系统的水星号返回舱与ITS回收系统进行对比的结果见表1。从回收系统总重看，ITS只有水星号的15％，而它的再入阻力面积却达到水星号的6倍多。峰值温度的差距也非常明显，ITS的再入最高温度比水星号低40％。
表1ITS技术与传统回收系统比较
各项参数 有效载荷净重
kg 回收系统总重
W/kg 再入阻
力面积A/m2 阻力系数CD 再入最
高温度
°C
水星号
返回舱 90.7 1 354.6 2.97 0.65 153 1 649
ITS回
收系统 90.7 204.1 18.7 1.0 2.24 964.5
因此与传统的降落伞回收系统相比，充气防热罩技术突出的优点有：
a) 充气防热罩几乎适合任意外形的返回舱，使返回舱外形的设计不再局限于大钝头等气动减速外形。以阿波罗飞船返回舱为例，考虑到减速和防热要求，设计成大钝头倒锥形实出不得已。如果采用ITS回收系统，则可以放宽返回舱的外形设计要求，理论上甚至允许是任意外形，使得采用ITS的返回舱能够更加合理布局，更适合载人飞行和空间实验的要求。
b) 更小的体积和重量使航天发射成本大幅度降低。ITS技术采用轻质柔性编织材料，在发射时可以折叠在非常小的容积内，因此体积小质量轻是ITS最显著的特点，使回收系统在航天发射中的比重降低，从而节约发射成本。ITS迎合了当前航天界对降低发射成本的要求，因而有着广阔的应用前景。
c) 它将再入过程的防热、减速和着陆减振功能集成在一起，简化了回收系统的设计，从这个意义上讲，增强了回收系统的可靠性。ITS在气动加热方面没有传统回收方式那么严重，为研制合适的防热材料提供了有利条件；充气后的ITS重心位于锥顶，飞行稳定性好；着陆时ITS可保护载荷免受冲击，溅落海中可保持载荷漂浮在水面而不被浸没。
d) ITS高可靠性和低发射成本的优点使未来航天回收及投放任务的风险降低，从而可以减少目前仍居高不下的巨额保险费（约占发射费用的10％～20％）。这反过来又促进了ITS在未来空间任务中的应用。
总之，充气防热罩技术体现了朴素的设计思想，集成了各种传统回收系统的功能，减少了研制过程中牵涉的技术环节，使整个系统更加易于实现。
4 ITS的关键技术
ITS技术发展至今已经历了数十年，之所以到近年才浮出水面，主要归功于美、俄等国在若干关键技术领域取得了突破性进展。ITS的关键技术涵盖多学科领域，如果按其重要性排序当首推材料技术。
4.1 轻质柔性耐高温材料技术
轻质防热材料的设计无疑是ITS技术的核心。早在20世纪60年代，美国就提出过类似的可充气回收系统的概念，但是直到最近10年，由于材料技术的进步，这一概念才逐步转变为现实。根据回收任务工作环境的特点，对材料热力学和力学性能都有比较高的要求，比如比重小、强度高、承受冲击能力强和耐高温等。热力学方面，材料本身至少要能承受1 000 °C的高温，由于局部（例如迎风的头部）的热流密度较大，因此在温度特别高的局部，还需要采取一些特殊措施，进行防热防烧蚀处理。据初步了解，俄罗斯IRDT技术中使用了一种类似橡胶的以SiO2为基的复合材料［3］，而美国的IRV系统则采用3M公司的可以承受1 400 °C高温的NEXTEL纤维。力学方面，对材料的抗剪切能力有很高的要求，同时要求有一定的弹性。由于经历了高温环境，必须考虑到材料在高温下的变形及其它性能的变化。为了保持返回舱的飞行稳定性，在ITS每次充气后，防热外壳的形状尺寸不应随温度变化，否则实际的飞行轨道和着陆速度就会偏离设计值，这就对材料在高温下的变形提出严格的限制。
综合来说，IRDT技术的材料应该满足以下4个条件：
a) 质量轻。系统整体质量的限制要求ITS材料的质量特性尽可能达到最优，质量小可以降低航天发射任务的费用，才能体现出ITS技术的优势。所以在满足力学、热力学指标的前提下，质量最轻是材料研究追求的目标。
b) 高强度和高韧性。ITS模块传递巨大的气动阻力给返回舱，其内部应力主要表现为拉应力，此外充气时会产生一定的动载，这对材料的抗拉能力提出了更高要求；编织物之间的缝合以及着陆缓冲时与地面的撞击需要材料具备很高的韧性。虽然俄罗斯的ITS技术暂时没有涉及着陆缓冲方面的讨论，但从ESA分析的发展趋势看，下一步将会把着陆阶段的减振设计集成到ITS模块中。
c) 气密性好。也就是要求材料的气体渗漏性极低，因为在整个回收过程中，ITS的防热外壳都需要维持其内部的气压以保持减速外形。
d) 在高温（1 000 °C）下保持材料力学特性的能力。
目前，无论是美国还是俄罗斯，在IRDT材料的研制过程中基本上遵循这样一种思路：选择高强度的纤维作基体材料满足力学要求，然后寻找一种耐高温材料作基体材料的表面涂层——现在用的比较多的是硅树脂。国外已经研制了多种防热硅树脂，其中部分已经产品化、系列化。
4.2 充气机构设计
气源方面，暂时不考虑气体以外的物质，例如通过化学反应产生气体的气体发生装置。俄罗斯在此次试验中采用了氦气。氦气是最轻的惰性气体，而且液态氦易于运输和存储，所以在航天任务的充气机构中成为首选气体。氦运输成本低的特点满足了ITS技术“低费用”的总体需要。
结合俄罗斯的IRDT演示舱，可以了解充气机构的大致结构。球状液氦储罐位于演示舱顶部，在锥形的刚性顶盖内部折叠了柔性的ITS编织材料（见图3）。充气机构动作后，高压气体进入同样由柔性材料编织而成的直管和环形管路，使管路膨胀接近刚性体。充气后的管路成为ITS系统的框架，致密的编织材料将框架连接成高强度的锥体（见图4），能够承受再入环境下高超声速气流的冲击载荷。
图3折叠中的ITS系统
4.3 ITS布局与折叠包装技术
在降落伞回收系统中，伞的包装与折叠技术关系到回收系统的合理布局和空间的有效利用，在ITS回收系统中同样如此。ITS的防热罩是由柔性编织物制作而成，它与返回舱的结合既要考虑充分利用空间使整个回收系统体积尽可能小，又要注重充气展开机构的工作性能以保证足够的可靠性。此外，充气机构的布局直接影响返回舱的安放位置以及整体重心，从而影响到系统的稳定性和返回轨道。
图4展开后的ITS系统
5 结束语
归纳起来，ITS的特点体现在：a) 可靠性高，质量轻，设计简单，并可由纤维材料编织而成（容易满足外形要求）；b) 充气展开系统简单可靠；c) 再入过程返回载荷始终受到保护；d) 飞行稳定性好。
出色的性能使ITS技术在未来的航天领域有着广泛的应用前景：
a) 再入地球和进入行星大气的应用。本文是以返回舱的地球大气再入环境为前提介绍ITS技术的，事实上ITS可以用于任何存在大气的星球探测任务，特别是火星探测与登陆计划以及行星星际飞行探测行动。
b) 用于国际空间站的实验结果回收，例如将装有微重力实验装置的ITS系统与空间站相连接，经过若干飞行周期的实验后再将ITS系统变轨再入返回地面。
c) 作为飞行员和宇航员逃逸救生系统。由于可靠性高，将来ITS技术有望取代降落伞系统成为飞行员和宇航员紧急逃逸救生的主要手段。
d) 用于可重复使用飞行器（RLV）的研制和回收，包括可重复使用的部件。例如运载器的上面级价值昂贵，经简单维护后可多次重复使用。过去试图用降落伞系统回收，但是发射质量的剧增使得对上面级的回收得不偿失。ITS技术以其质量轻、体积小的优势满足了需要，加速了运载器上面级回收的实现。例如本文开头介绍的ESA与俄罗斯的验证试验任务之一就是回收联盟号火箭的Fregat上面级。
联系国内现阶段的情况，至今还未开始ITS技术的论证工作，所需的耐高温轻质柔性材料也缺乏必要的技术储备，因此如果目前开展研究还有许多问题等待解决。但是作为航天回收系统的最新技术之一，特别是在俄罗斯与ESA的联合试验取得初步成功之后，该技术已经引起国内航天领域专家们的高度重视。从国内的经济实力和航天领域的发展状况分析，应结合国情有重点开展工作，有所为，有所不为，不能完全跟在别人后面走。既不可能像美国那样，投入大量资金进行风洞和空投试验，也不比俄罗斯有强大的航天军工制造实力。但可以分步骤实施ITS技术研制计划。先开展总体论证工作，提出ITS技术实现过程中的几项关键技术指标，然后有重点地进行相应的关键技术研究工作，并首先确保实现可能性较大的技术。等关键技术积累比较成熟后，可以研制原型机进行风洞实验模拟大气再入的工作环境，并适当地进行空投和着陆冲击试验以检验安全着陆性能。
第1阶段的总体论证工作首先需要考察ITS结构设计技术，包括再入轨道设计、充气机构、充气外形设计、ITS外形的空气动力和热力学分析、飞行稳定性和充气过程特性分析、再入过程载荷计算、充气方案设计、着陆缓冲方案等前期准备任务。在这个阶段，主要的研究技术途径是在充分借鉴已有的实验数据的基础上，依靠理论分析与计算，具体说就是空气动力学和结构动力学的数值计算以及它们的耦合计算、再入轨道优化设计等数值分析手段。如果条件许可，应该结合适当的实验工作，以获得最接近实际飞行环境的数据，并对数值计算方法起验证作用。当总体论证工作结束时，应当对材料、ITS结构设计和ITS布局与包装等关键技术的具体指标，例如材料的强度、高温特性和柔韧性等技术要求。随着对ITS技术认识的不断深入，初期对关键技术的某些分析可能需要修改，因此在总体论证阶段结束还应该重新评估关键技术的划分。
第2阶段，重点投入解决关键技术。在总体论证给出材料的特性参数之后，耐高温轻质柔性材料的研制工作可以单独进行。ITS模块的布局和折叠包装技术与结构设计相互影响，结构设计需要考虑ITS模块在返回舱内的布局与包装，因此这两项关键技术应该同步研制。作为远期目标，第3阶段的任务是依靠前一阶段的技术储备，制造出ITS的原型机。这个阶段的技术手段以实验为主，例如，利用高温、高焓、风洞模拟可以再入的高温，用高超音速风洞实验可以模拟ITS再入时承受的空气动力载荷，用高塔投放或机载空投实验不但能够考察ITS充气过程的稳定性和飞行特性，还为着陆冲击过程积累重要的实验数据。如果地面实验一切顺利，可以选择合适的机会将ITS模块搭载到航天任务中，在真实的空间飞行环境中检验ITS的全程工作性能，为ITS在空间实际应用上完成最后一个环节的试验。
由于技术原因我没有把上文的图片贴上，十分抱歉！！