國防科技大學空天科學學院講師張夢櫻為(wei) 您講述——

　　降落傘(san) 係統：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(san) 在東(dong) 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(dong) 風著陸場，降落傘(san) 就是最明顯的指引。隻要捕捉到它的身影，地麵搜救人員就如同吃了一顆定心丸。

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

　　今天，就讓我們(men) 對降落傘(san) 係統一探究竟。

　　載人飛船降落傘(san) ——

　　守護航天員回家“最後十公裏”

　　讓我們(men) 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圈後，首次在快速返回模式下返回地球。與(yu) 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。

　　經曆了熱障和黑障，載人飛船回收著陸的最後一棒交給了神舟飛船降落傘(san) 係統。

　　距離地麵10公裏高度時，飛船速度由第一宇宙速度降到大約200米/秒，多級開傘(san) 程序啟動。

　　首先，返回艙上的靜壓高度控製器通過測量大氣壓力，判定開傘(san) 高度，傘(san) 艙蓋自動彈出，引導傘(san) 和減速傘(san) 依次拉出。減速傘(san) 將返回艙速度減至約180米/秒。隨後，飛船返回艙速度和高度進一步降低，主降落傘(san) 從(cong) 傘(san) 艙彈出，經曆兩(liang) 級充氣減速，速度降至約40米/秒。此時，1200平方米的主傘(san) 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下平穩下降。

　　經過層層開傘(san) 減速，為(wei) 避免著陸緩衝(chong) 段返回艙與(yu) 地麵“硬碰硬”，在距地麵高度約1米時，返回艙精確控製4台著陸反推發動機，通過反推 “刹車”的方式，將速度降至約2米/秒，實現精準軟著陸，以減輕航天員所受衝(chong) 擊。

　　落地並非萬(wan) 事大吉，主傘(san) 可能會(hui) 被風吹起，拖曳返回艙在地麵滑跑，順風情況下可滾動七八千米。為(wei) 此，在落地瞬間，主傘(san) 上的切割器將剪斷傘(san) 繩，讓主傘(san) 脫落，確保返回艙不會(hui) 被拖走。

　　事實上，為(wei) 確保航天員的安全，自神舟九號起，飛船回收著陸係統就在程序脫傘(san) 模式基礎上，增加了航天員手動脫傘(san) 模式，有效避免了著陸場環境對航天員的威脅。

　　地外行星降落傘(san) ——

　　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(san) 係統是否適用於(yu) 各種航天任務？讓我們(men) 以天問一號火星探測任務為(wei) 例，探討一下這個(ge) 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餘(yu) 次火星探測任務中，能成功穿越火星大氣層，平穩著陸的僅(jin) 有9次。中國之所以能成為(wei) 世界上第二個(ge) 成功實現火星軟著陸並開展火星探測的國家，火星降落傘(san) 功不可沒。

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

　　經曆5分鍾左右的氣動減速，探測器速度降至約2馬赫。此時，火星降落傘(san) “登場”，它的任務是把天問一號從(cong) 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(jin) 為(wei) 地球大氣密度的1/100。因此，在著陸階段，為(wei) 天問一號保駕護航的火星降落傘(san) ，與(yu) 地球返回任務所用的降落傘(san) 相比，在開傘(san) 條件、工作狀態和結構設計上均大不相同。

　　由於(yu) 火星大氣層密度低，探測器在氣動減速之後，速度仍比聲速快，動壓卻隻有500帕左右。在超聲速條件下開傘(san) ，降落傘(san) 傘(san) 衣前將出現弓形激波流場。盡管這道激波不足以使降落傘(san) 流場環境變複雜，但傘(san) 前麵還有一個(ge) 探測器。探測器不僅(jin) 自身會(hui) 產(chan) 生一道激波，還會(hui) 在其後方形成一道又細又長的尾流。可以想見，當探測器尾流和傘(san) 前的激波“狹路相逢”，降落傘(san) 周圍將形成高度複雜的非定常流場，導致傘(san) 衣劇烈抖動，像水母一樣“呼吸”起來，產(chan) 生一係列嚴(yan) 重的“喘振”現象。

　　大氣層密度低會(hui) 帶來這樣的挑戰：獲得同等氣動阻力需要更大傘(san) 衣麵積，係統重量和體(ti) 積相應增加。同時，會(hui) 使降落傘(san) 的穩定性降低、擺動角變大。而低動壓意味著低氣動阻力，進一步增大了傘(san) 從(cong) “呼吸”和擺動狀態恢複穩定的難度。如此狀態下，開傘(san) 可謂“步步驚心”。

　　因此，在火星降落傘(san) 的結構設計上，要適應低密度低動壓條件下穩定性幹擾顯著的問題，就要提高降落傘(san) 強度、局部結構抗抖動等複雜力學環境的能力，並注重提高降落傘(san) 抗損傷(shang) 擴展的能力。

　　天問一號使用的降落傘(san) 是鋸齒形盤縫帶傘(san) ：在平麵圓形傘(san) 的盤周圍增加一個(ge) 環形的帶，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係統穩定性，增強局部結構承載能力。

　　在局部加強材料方麵，為(wei) 應對火星環境，天問一號降落傘(san) 采用新的芳綸材料。另外，為(wei) 了提高連接強度，傘(san) 繩也內(nei) 藏乾坤，采用新的插接工藝，直接把材料本體(ti) 插接在一起，避免縫紉帶來的強度損失。

　　降落傘(san) 的未來之路——

　　大型群傘(san) 技術未來可期

　　為(wei) 了更好地減速，研製更大的單傘(san) 並非首選。

　　2020年5月8日，3朵紅白相間的巨大傘(san) 花掛著一個(ge) 錐形鈍頭艙體(ti) 在東(dong) 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(liang) 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(san) 減速係統。

　　新一代載人飛船試驗船回收采用了大型群傘(san) 技術。群傘(san) 由3具大小與(yu) 神舟飛船降落傘(san) 麵積相當的單傘(san) 組成，可保證新一代載人飛船這個(ge) “大家夥(huo) ”在回家“最後十公裏”有效安全減速。

　　除了群傘(san) 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(san) 在地球的模擬研究。不同行星，大氣環境也不同，傳(chuan) 統的地球低高度空投試驗不能有效驗證行星降落傘(san) 係統是否合格。要想知道不同行星環境下降落傘(san) 是否可按照預想可靠工作，需合理選擇關(guan) 鍵參數，模擬行星大氣開傘(san) 的實際條件，通過多次地麵驗證，才能準確回答這一問題。

　　還比如，對降落傘(san) 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展，材料性能的提升會(hui) 帶來設計方案的變革。

　　在未來一段時間內(nei) ，降落傘(san) 仍舊是航天器著陸的首選減速設備。根據規劃，2022年中國載人航天工程將完成6次發射任務，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射。屆時，中國空間站將全麵建成，中國載人航天工程可謂“好戲連台”。

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

　　張照星 顧 瑩