载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析.pdf

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1、第19卷第4期2013年7月载人航天V01．19No．417载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析郭斌1，一，左光2，程克明1，陈冲2(1南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016；2中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要随着深空探测任务的发展，载人飞船规模不断加大，返回舱再入返回的质量越来越大，主要依靠降落伞方式减速的难度也随之增大。分析国外在研载人飞船研制特点，特别是国外载人飞船配置反推发动机的可行性，提出利用反推发动机实现制动着陆的方案设想，重点是反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态，以及反推发动

2、机安装位置等对发动机推力、工作时间等参数分析。关键词载人飞船；返回舱；着陆返回；反推发动机中图分类号：V423．5+1文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)04—0017—061引言自2011年美国航天飞机退役以后，目前可以执行天地往返任务的载人航天器只有俄罗斯的“联盟”号飞船和我国的神舟号飞船。为改变这一现状，美、俄等国都在加紧研制新一代载人飞船预计在2018年前后具备飞行能力。世界各国升级换代后的新一代多用途飞船，在总体设计理念上发生转变，采用模块化设计理念，扩大任务覆盖范围，任务目标以国际空间站和载人登月等任务为核心，覆

3、盖近地轨道和载人深空往返运输任务的需求；采用可重复使用设计理念，进一步降低航天运输成本；此外进一步增强了任务安全性、可靠性方面的设计；采用新型的反推发动机着陆回收方案，可以大限度的实现着陆减速，提高飞船的可重复使用率，进一步实现飞船的定点着陆功能。气动减速装置作为回收着陆系统的关键组件之一，其工作性能的可靠与否关系到整个航天器回收着陆的成败。目前，使用最为广泛、技术最为成熟的地球再入气动减速装置为降落伞系统。神舟号飞船和“联盟”号飞船主要选用的气动减速装置就是降落伞系统，并在着陆前1m高度点燃固体火箭发动机，旨在降低最终的着陆速度。降落伞用织

4、物材料缝制而成，质地柔软，包装后体积小，在空中展开后可以获得比原包装状态大数百倍的阻力面积；同时具有结构简单、减速高效、工作可靠和成本较低的特点，因此被广泛应用于各种返回式航天器。然而，深空探测任务的开展，载人飞船规模的不断加大，返回舱再人返回的质量越来越大。如果单纯依靠降落伞减速，即便是群伞技术也面临伞舱体积过大、伞衣材料强度要求提高、伞衣整体质量增大、伞衣包装难度加大和降落伞拉直技术难度增大等一系列问题。本文借鉴国外在研载人飞船的研制方案，提出一种新型的减速方案，将反推发动机与降落伞配合使用，以实现返回舱的有效制动着陆。由于发动机安装位置

5、、点火高度等对其性能参数会产生较大影响，[11121本文主要对载人飞船反推发动机进行反推减速这一方案进行分析，估算反推发动机的主要性能参数，收稿日期：2013—05—08；修回日期：2013—06—29作者简介：郭斌(1984一)，男，博士研究生，工程师，主要从事航天器再入返回研究工作。E-mail：robbin204@163．com18载人航天第19卷初步验证其可行性，也为将来实现定点着陆奠定了良好的基础。2国外新型载人飞船利用反推发动机实现制动着陆的可能性2．1SpaceXDragon反推着陆方案设想Dragon是美国空间探索技术公司(S

6、paceExplo—rationTechnologies，SpaceX)为NASA商业轨道运输服务(CommercialOrbitalTransportationServices，COTS)项目开发的可重复利用的新型载人飞船。Dragon飞船后期将单独配备逃逸发动机SuperDraco，在飞行过程中不用抛掉，可用于发射段全过程的逃逸救生，从而进一步提高飞船的安全性。未来Dragon的设计团队希望可以利用逃逸发动机进行着陆反推，并以此实现精确定点着陆，如图1所示。Dragon飞船的这种设计体现了国外新一代飞船先进的整体系统集成优化的理念，(如图

7、2所示)代表了未来新一代飞船发展的趋势。图1Dragon飞船利用发动机反推着陆图2Dragon飞船优化设计SuperDraco发动机为发射段逃逸救生而研发，目前已经完成地面试车试验，如图3所示。由于其推力可以进行深度调节，因此完全具备执行着陆反推的能力。表1给出了SuperDraco[j2]发动机的基本性能参数表。图3SuperDraco发动机地面试验表1发动机性能参数表发动机SuperDraco应用Dragon飞船推力67000N(15000lbf)喷口直径260mm(估算)用途逃逸推进剂四氧化二氮，一甲基肼深度节流(变推力)性能多次启动2

8、．2PPTS反推着陆方案设想PPTS载人飞船，是俄罗斯航天局提出设计的新一代航天飞船(如图4所示)，其在继承联盟飞船的基础上引用了多项先进技术，其中重大改进就是在着