spins的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/spins

博文

柔性充气式货物返回舱到底是什么

已有 496 次阅读 2020-5-14 12:08 |个人分类:浮空器|系统分类:科普集锦| 长五B

   5月6日,正当我们为长五B举国欢庆之时,中国载人航天突然宣布这样一项异常:

1.jpg

图片来源:中国载人航天官网

    长征五号B运载火箭搭载进行首次试验验证的柔性充气式货物返回舱试验舱,6日在返回过程中出现异常,专家正在对相关数据进行分析。那所谓的“柔性充气式返回试验舱”是什么呢?

简单来说,就是“胖五”搭载了两个试验船升空,一个载人,一个拉货,那个拉货的出了问题,但是载人飞船已经在5月8日回收,获得圆满成功。

从对外宣传的名称上看,“柔性充气式返回试验舱”其实有些歧义,会让大家以为这个试验的重点在货运舱上,如果你没看过官方的模拟动画,有可能会跟前几年毕格罗搞的那个充气式太空舱搞混淆。

 2.jpg

毕格罗的BEAM充气式太空舱于2016年与国际空间站对接

图片来源:《到太空去开旅馆——地产大亨毕格罗与他的充气太空舱》

 

2.gif 

毕格罗太空舱充气

图片来源:《到太空去开旅馆——地产大亨毕格罗与他的充气太空舱》

 

  实际上本次的充气式货运返回舱与毕格罗的充气式太空舱毫无关系,本次货运飞船试验的关键技术是充气式再入与下降技术,简单说是说货运飞船采用的是充气减速技术再入地球大气层,充气结构除了大幅度增加货运飞船的截面积,从而增大气动阻力,起到减速作用外,还对货运飞船起到热防护作用。

4.jpg

图片来源:CCTV4视频截屏

根据之前公布的模拟动画,货运飞船着陆时并没有使用降落伞,所以充气结构还起到了减缓着陆冲击的作用,如果试验成功,可以说一石三鸟。

 非常遗憾的是货运飞船的充气结构在再入地球大气层阶段出现问题。其实这项技术并不简单,因为早在2018年,spaceX公司老板马斯克就发了一条神秘的twitter,引发了网友无限猜想。

3.jpg

图片来源:twitter

他说SpaceX将尝试使用一个巨大的派对气球把火箭的上面级从轨道速度下回收回来。

 美国马里兰大学工程学院的学生奎因‧库佩克(Quinn Kupec)在马斯克推特中评论道:“如果你说的和我想的一样,这是一个超低弹道再入系数减速器的话,你应该来马里兰大学看看。我们一直在做这方面的研究,刚刚结束了一些测试。”

4.jpg

图片来源:twitter

库佩克在twitter上贴出的图片,这条留言得到了马斯克的亲自回复,对他的想法表示肯定。这里需要解释一下弹道系数的概念。


弹道系数:用来衡量航天器在飞行过程中克服空气阻力的能力的数值。弹道系数较高,意味着重返大气层的航天器减速较慢,到达地面时速度依然较快。


能得到马斯克的亲自回复,说明库佩克同学的说法没错,马斯克应该就是想用这种充气式低弹道系数再入技术来回收火箭上面级,跟这次长五B发射的货运试验船使用的技术应该是一回事。现在两年过去了,马斯克也没有实现他的诺言,看来这项技术并不容易。

这项技术是国内首次进行在轨试验,新技术的探索之路总是充满荆棘,出现问题可以理解,但为什么要研究这项技术呢?我们要先从航天器的再入说起。

航天器再入

航天器再入就是指从在轨飞行的无气动阻力状态,降低轨道高度,直到进入到大气层中。

地球是一颗有比较厚的大气层的行星。大气层的正常厚度在150到200公里高度之间,而越往下气体越稠密。稠密大气层会给围绕行星低轨道飞行的航天器自然减速;而且最麻烦是再入时会因摩擦产生高温。

航天器再入大气时,其飞行速度由7.8千米/秒降到几十米每秒,飞行高度由400千米降到数千米,巨大的动能和重力势能几乎全部要靠热能来耗散。由此产生的热量是惊人的。飞船、小型空天飞行器再入的最高温度在1500℃以上,有时温度甚至高达1865℃、航天飞机再入时的最高温度达1650℃

5.jpg

天宫一号退役后再入大气烧毁的照片

图片来源:《刚刚,天宫一号再入大气层烧毁》

要对付这层障碍,目前的办法是给航天器外层加烧蚀材料,中层加隔热材料,内层加防热大底。

在再入的过程中逐步靠与上层大气摩擦减速。接近地球表面或者火星表面时,再用降落伞减速,接近地面时再用火箭反推减速或用充气囊缓冲。

 6.jpg

神舟十一号返回舱表面黑乎乎的烧蚀痕迹就是再入大气是摩擦发热的结果

图片来源:《小火箭聊导弹飞船与高超声速飞行器的热防护》

 

所以载人飞船的再入防护及减速配置一般需要:防热大底,隔热层,外层烧蚀材料,减速伞,反推火箭或者缓冲气囊等。如果有一个方案能够将这一套配置的功能集成于一体,将节省下来的宝贵重量和空间留给有效载荷,甚至能够降低成本,是不是值得我们去尝试一下? IRDT (inflatable re-entry and descent technology)技术,即充气式再入及下降技术提供了这样一种可能。

IRDT技术

    IRDT技术的方案是使用充气结构展开折叠的大型防热盾,使得阻力更大弹道系数更低、更好的推开前方炽热的空气层,从而减速更快、受到的气动加热更低、返回地面更经济安全。还有发射储存体积小重量轻、比降落伞坚固的多,因此能在降落伞无法承受会被扯烂的高度和速度下安全展开使用等优点。

7.jpg

典型的IRDT外形

(上图为2000年俄罗斯福盖特号火箭上面级使用IRDT技术回收,因遭遇暴风雪丢失,图片来源:space.skyrocket.de)

    IRDT基本构造是最外层涂着包括有机硅、酚醛树脂等烧蚀升华材料,然后是耐热纤维、碳纤维、玻璃纤维、可能有凯夫拉和诺梅克斯纤维织物、多层隔热材料包括镀铝聚酰亚胺膜、硅酸铝或者碳化硅气凝胶隔热层等等材料多层叠加复合组成的充气柔性结构,内部充氮气。

随着航天事业和深空探测任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,IRDT成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。

8.jpg

航天科技集团508所测试的返回器充气前状态

图片来源:《我国回收着陆技术重大突破!新一代载人飞船这样回家》

 

上世纪末,欧美国家已开展了此项技术的研究。美国针对火星大气的再入任务,启动了HAID项目和LDSD项目,前者进行了亚轨道的飞行试验,后者开展了高空气球的空投试验。日本舱薄膜减速器(Membrane Aeroshell for Atmospheric-entry Capsule,MAAC)项目组已经开展了高空气球投放试验和亚轨道飞行测试,俄罗斯的火星96探测器原计划采用IRDT技术再入火星大气撞击火星进行探测,但因为探测器发射失败未能实施, 2000年、2002年和2005年,俄罗斯在欧洲航天局(european space agency,ESA)等机构的合作参与下,进行了三次IRDT的飞行试验。三次飞行试验均未完全成功,但在轨成功地实施了充气展开,积累了大量的数据和经验。

9.jpg

 

 俄罗斯充气再入与降落模块的收拢和展开外形示意图

图片来源:《国外典型充气式再入减速器项目》

     从国外IRDT技术的发展来看,同样也是充满了曲折,目前为止尚未有成功从轨道飞行速度再入地球大气或者火星大气的先例,多是进行了原理验证或亚轨道试验。

小结:

IRDT技术作为一种新型减速技术,它与传统返回飞行器相比较,具有回收器体积小、阻力面大、弹道系数低、气动热量小和适应低密度大气等特点,因此受到航天界的高度关注,虽然尚未有真正意义上的从轨道速度再入地球大气或火星大气的成功先例,但并不能否定这项技术的价值,随着航天技术的不断发展,相信充气式再入返回技术成功应用的那一天不会太遥远。

 

参考文献:

1、航空知识,胖五发射的柔性返回试验舱异常,对我国航天有何影响?

2、杨宇光,漫谈 | 航天器如何再入大气层?

3、空天大视野,国外典型充气式再入减速器项目

4深圳市绿航星际太空科技研究院到太空去开旅馆——地产大亨

   毕格罗与他的充气太空舱

5、邢强,小火箭聊导弹飞船与高超声速飞行器的热防护

6、黄宛宁,《流浪地球》中的逃生气囊球和马斯克有什么关系?

7、浮空君,用大气球回收火箭上面级,马斯克也许没开玩笑

8ncc21382,长征五号B运载火箭的柔性充气式货物返回舱试验舱是什么?

 

作者:中科院空天信息创新研究院黄宛宁

 




http://blog.sciencenet.cn/blog-3057882-1233118.html

上一篇:2019年浮空飞行器领域十大新闻盘点

1 郭战胜

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-5-28 00:25

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部