航天器翼伞精确回收技术发展及展望

王立武 许望晶 刘涛 滕海山 吴卓 刘靖雷

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

随着航天活动的不断开展和应用的不断扩展，如空间站的应急返回、科研试验卫星载荷回收等，对航天器地面搜救、回收处理时效要求越来越高；同时由于国民经济的飞速发展，原有落区周边的设备设施越发密集，落区的有效范围不断缩小，居民疏散难度越来越大、代价也越来越高，落区协调工作变得愈加复杂，因此航天器精确定点回收的需求日益迫切[1]。

常规的回收系统一般采用传统降落伞进行减速回收，末端无法进行控制，受开伞高度和降落区域当时风的影响，落点不可控，散布大[2]，难以满足航天器精确定点回收的需求，虽然可以通过返回再入轨道优化、控制和风修正技术减小落点散布范围，但需要大系统协调，代价较大、成本较高，性价比不高。如果能够研制出末段控制的系统或方案，将有效解决问题，满足精确回收需求。

翼伞[3]是根据飞机翼型产生升力的原理制作的一种降落伞，如图1所示，其伞衣由上翼面、下翼面和翼肋组成，伞衣前缘开有切口，而后缘则完全封闭，后缘连有操纵绳，通过操纵使后缘下偏形成襟翼偏角，从而改变气动力和力矩，有效地进行制动或转弯，实现翼伞在空中的机动飞行和雀降着陆。翼伞从最初的出现到现在已有60多年的历史，早期受限于翼伞的大小，在人用翼伞上应用广泛；后期突破大型翼伞技术以及 GPS导航技术成熟后，在精确空投方面应用较多；受限于航天应用环境条件的复杂性以及可靠性成熟度要求高等，在航天领域应用较少。

图1 翼伞结构示意Fig.1 Diagram of parafoil

翼伞精确回收系统，是利用翼伞优良的滑翔能力和可操纵性，通过自主归航控制实现载荷的精确定点回收，还可通过“雀降”操纵实现高效的安全无损着陆[4]，作为一种高效、低成本的回收系统，非常适合航天器的精确定点回收。

此外国外在航天器翼伞精确回收技术方面进行了大量的研究工作[5-8]，美国NASA耗时 7年完成了X-38飞行器翼伞精确定点回收项目，验证了航天器大型翼伞精确回收技术，见图2；美国Space X公司利用翼伞完成了世上首次整流罩海上高精度动态安全回收，见图3。

图2 美国X-38飞行器翼伞精确定点回收示意Fig.2 The X-38 parafoil accurate fixed-point landing

图3 Space X整流罩翼伞动态定点海上回收示意Fig.3 Space X fairing parafoil dynamic fixed-point recovery at sea

因此无论是航天技术发展要求，还是航天强国建设需求，亦或是国外已经实现的应用情况，均表明航天器翼伞精确回收技术是航天器回收着陆专业发展必不可少的关键技术之一，是航天器精确回收着陆技术发展的重要方向。

1 国外发展情况

1.1 翼伞精确回收发展阶段

国外翼伞精确回收技术主要用于精确空投和航天器精确回收，两者因有共性技术而关联，又因其自身的特性和要求而独立，形成了各自的发展特征。

（1）翼伞精确空投发展阶段

国外翼伞精确空投的发展可分为以下三个阶段：

20世纪60～80年代为早期发展阶段，国外对小型翼伞系统的工程应用进行了初步研究，积累了大量的 经验[9-12]。在这一时期，国外很多高校和研究机构对多种结构外形的滑翔伞的气动特性和稳定性能等进行了初步理论分析和试验研究，研制出高升阻比小型翼伞，并由此产生了早期的径向、比例归航等控制方式。

80年代为初步系统研制阶段，突破了大型翼伞技术，开启了GPS导航控制研究，是现代翼伞系 统技术研究的开端[13-17]。随着GPS导航系统的组建，NASA推出了一批基于GPS导航的飞行器研制论证计划，比较著名的有马歇尔飞行中心先进回收ARS（Advanced Recovery System）项目和 Dryden飞行中心的航天器自主着陆SAP（Spacecraft Autoland Project）计划，直接促使美国先锋公司和Para-Flite公司通过大量小型翼伞空投试验，取得了研制大型冲压翼伞的适用新技术，标志着翼伞技术发展成熟。

90年代后为工程验证及应用阶段，欧美国家将技术相对成熟的冲压翼伞与GPS导航技术、现代 微电子技术融合，控制系统的构成、制导与控制技术发生了根本性变革，能够应用复杂的制导控制方法，从而使得翼伞系统着陆精度得到了极大提升，研制出多种工程实用的精确回收系统[18-23]。

（2）航天器翼伞精确回收发展阶段

对于航天器翼伞精确回收技术来说，其承担的任务一般都具有极高的战略意义，出现问题导致的风险后果具有致命性，产生的影响很大；同时其应用环境条件更加复杂，产品状态具有工程离散性，飞行边界条件又具有不确定性，试验模拟困难，因此相对而言，其技术难度更大、风险更高，故与翼伞精确空投的发展有所区别。国外航天器翼伞精确回收技术可分为以下四个阶段，如表1所示，近期由于Space X整流罩翼伞回收成功，将中型翼伞的精度及可靠性进一步提高，为大型航天器翼伞应用奠定了基础，又引起了航天界的极大关注。

表1 国外航天器翼伞精确回收发展阶段Tab.1 Development stage of foreign spacecraft parafoil precise recovery

1.2 翼伞精确回收技术发展脉络

对翼伞精确回收技术来说，翼伞和控制是其最核心的组成，国外翼伞和控制的发展脉络总结如下：

（1）翼伞技术发展

国外翼伞发展脉络大致是以小型翼伞为起点，通过仿真及试验对翼伞的构型、气动特性和稳定性能等进行理论研究，逐步突破大型翼伞技术和高性能翼伞技术。随着回收质量需求的不断增加，翼伞面积不断增大，回收质量从几十千克增至到十几吨，翼伞面积从小至十几平米增大到近千平米，同时进一步提高翼伞性能，系统滑翔比不断提高，从不足2提高到5，形成了矩形、椭圆形和梯形翼伞。

图4为国外典型翼伞[23]的示意图，包括美国的X-fly系列翼伞（包括Microfly、Firefly、Dragonfly、Megafly、Gigafly）以及X-38项目翼伞，欧洲的FAST Wing翼伞等，其中MegaFly、GigaFly以及X-38皆为矩形翼伞。

图4 国外典型翼伞示意Fig.4 Foreign typical parafoil

（2）翼伞控制技术发展

国外翼伞控制方式以GPS导航为界限大致分为两个阶段，涵盖三种方法，如图5所示。

图5 国外翼伞控制系统发展脉络示意Fig.5 The development of foreign parafoil control system

国外工程研制基本都采用分段归航控制方法，进行在线航迹规划和实时航迹跟踪控制。分段归航中的能量管理段的控制对最终的着陆精度影响较大，是翼伞控制策略和算法的核心，从实现来看，主要包括圆弧—直线、曲线、圆弧等三种形式，如图6所示。国外翼伞着陆精度基本达到了百米量级[23]。

图6 国外不同形式的末段控制方法示意Fig. 6 Foreign different terminal control methods

1.3 小结

翼伞精确空投和航天器翼伞精确回收的区别对比，如表2所示。

表2 国外翼伞精确回收技术发展特征比较Tab.2 Comparison of development characteristics of foreign parafoil precise recovery

从国外航天器翼伞精确回收技术发展及研制来看，航天器翼伞精确回收技术研制具有相当大的挑战性，因此我们要充分汲取国外的研制经验，如考虑稳定性和可靠性，大型翼伞选用矩形翼，翼伞控制采用分段归航控制，设计、仿真、试验相结合等，制定好发展规划和技术路线，充分利用资源，实现航天器精确回收技术的跨越式发展。

2 我国发展情况

2.1 现状

国内航天器翼伞系统发展脉络基本与国外一致，先是跟踪及理论研究，进行实物研制，翼伞从小型、中型，逐步到进行大型翼伞攻关，控制方式也经历了国外的两个阶段，利用GPS进行分段归航控制，逐步提高落点精度，进行大型翼伞着陆精度攻关。北京空间机电研究所是我国唯一专业的航天器回收着陆技术研究单位，在航天器翼伞精确回收系统工程研究方面一直走在国内前列，基本上代表了我国在航天器翼伞精确回收系统工程上的最高水平。

国内自20世纪80年代末以来一直跟踪国外翼伞回收系统方面的研究进展。1990年代北京空间机电研究所成功研制了国内第一套小型翼伞系统，翼伞面积60m2，回收质量650kg，滑翔比2.5～3.0，突破了中型面积翼伞的设计、制造加工工艺、飞机空投、开伞载荷控制、归航控制及试验方法等一系列关键技术，打破了国外的垄断，实现了我国翼伞系统从无到有。图7为60m2翼伞回收系统高塔投放及空投试验。

2000年初，为了进一步验证翼伞归航控制能力，提高落点精度，为中大型翼伞的归航控制进行技术积累，北京空间机电研究所研制了一套微型翼伞回收系统（见图8），翼伞面积14m2，回收质量130kg，利用GPS进行导航、由双伺服机构对翼伞后缘进行下拉操纵，进行了地面跑车和空投试验，达到了自动归航落点精度优于200m，手动归航落点精度优于70m的归航控制能力，并增加了对翼伞的转弯操纵规律和雀降控制的了解和认识。

图7 60m2翼伞回收系统高塔投放及空投试验Fig.7 High tower drop and air drop test of 60m2 parafoil recovery system

图8 14m2翼伞回收系统Fig.8 14m2 parafoil recovery system

2010年初，受中国运载火箭技术研究院委托，北京空间机电研究所进行了高精度中型翼伞回收系统研制，翼伞面积80m2（见图9），回收质量1 000kg。采用了CFD结合流固耦合计算方法进行翼伞气动性能仿真[24]，对翼伞设计进行了优化改进，研发一种绸布进气阀辅助充气以及弦向链式收口方法对翼伞的充气、收口展开进行控制，取得较好的效果；采用双天线GPS分段归航控制系统，具备手动和自动控制功能[25]；建立了翼伞系统多体动力学模型，结合控制算法进行了航迹仿真，对着陆精度及风的影响进行了仿真分析[26]；经过3次翼伞空投试验、4次归航空投试验验证以及1次全系统空投试验，该系统归航精度可达150m。

2015年至今，北京空间机电研究所正在开展300m2大型翼伞的关键技术攻关工作，以用于 4t级助推器的安全回收，重点解决大型翼伞的加工工艺、大型翼伞的初始充气展开、开伞过载控制、强度以及试验验证等。图10为300m2翼伞示意。

图9 80m2翼伞回收系统Fig.9 80m2 parafoil recovery system

图10 300m2翼伞示意Fig.10 300m2 parafoil

此外，在航天器翼伞精确回收技术理论研究方面，国内有关科研机构和高校均开展了研究和分析[27-30]，为航天器翼伞精确回收技术工程化提供了参考和借鉴。

2.2 国内外差距分析

我国翼伞精确回收系统虽然积累了一定的经验，但无论是从翼伞性能、回收能力、着陆精度，还是工程应用等方面比较，与国外还有相当大的差距，具体如表3所示。

表3 国内外翼伞精确回收技术差距比较Tab.3 Gap comparison of parafoil precise recovery at home and abroad

这主要是我国高性能翼伞的设计、气动性能、自主归航控制等共性技术基础较弱，理论研究不足；对翼伞气动性能仿真、运动模型的精细化研究和运动参数辨识等仿真研究不够深入；此外缺乏试验验证及评估能力，试验验证手段单一、数据积累较少，缺乏工程应用考验。因此需在进行大型翼伞系统理论研究的同时，建立大型翼伞试验验证体系。

3 发展及展望

翼伞具有的可控滑翔特性在精确回收领域具有无可比拟的优势，2019年6月由于Space X整流罩翼伞回收成功，又引起了国内外的极大关注。美国火箭实验室公司也宣布尝试使用翼伞对其“电子”火箭第一级进行回收和复用，欧空局目前正在研制的“太空骑士”可重复使用航天器也计划利用翼伞进行精确着陆。

随着空间技术的蓬勃发展和翼伞系统大量的工程应用，航天器翼伞精确回收系统必然会向着大型化、智能化的方向发展，同时随着可靠性和成熟度的不断提高，翼伞精确回收系统最终会应用于载人航天器精确回收中。同时随着翼伞技术的进步，又形成新的发展方向，引领新的应用需求。

3.1 技术发展方向

（1）充气再入减速技术(IRDT) +翼伞

美国联合发射联盟公司ULA计划利用IRDT和翼伞在半空中对其下一代“火神”火箭两台一级发动机-BE-4发动机实施回收以重复使用，发动机吊舱首先从一级火箭底部抛出，通过IRDT减速器加以保护进入大气层，然后在合适高度展开可控翼伞，以由直升机在半空中予以捕获。“火神”火箭一级发动机翼伞回收示意，如图11所示。该技术是将再入防热、减速和精确回收结合起来，可用于载荷（本身无防热措施）的再入返回和精确回收，以重复使用。

（2）新型高空翼伞+临近空间技术

美国在NASA“飞行机会”项目中遴选出5项太空技术进行飞行测试，其中一项就是新型高空翼伞设计，翼伞飞行高度达20km，将翼伞系统与临近空间相关技术结合起来，用于精确递送或者临近空间相关试验。这项技术利用新型高空翼伞进行临近空间巡航，可满足面对突发性重大自然灾害期间实时监测预警和应急救灾快速响应需求。

（3）增阻离轨+IRDT+翼伞

图11 “火神”火箭一级发动机翼伞回收示意Fig.11 Parafoil recovery for primary engine of Vulcan Rocket

未来可通过增阻离轨技术来增加航天器的阻力面积，依靠大气阻力进行被动离轨，接着通过 IRDT进行高速段减速和防热，实现再入过程的热防护、气动减速，最终通过翼伞系统完成定点着陆，实现航天器离轨、再入、减速、精确回收。这项技术均为柔性可展开装置，空间、重量要求相对较小，可用于未来空间目标的再入与回收，具有较大的竞争优势。

综上所述，随着空间技术的发展，整流罩、助推器、返回式卫星、载人航天器等精确定点回收的需求越发迫切；同时翼伞技术进步又可牵引出新的应用方向，研制航天器翼伞精确回收系统有明确的应用需求，且可促进新技术新应用的发展，因此有必要结合航天器精确回收已有的翼伞技术基础和专业优势，以载人航天器精确回收为目标，攻克翼伞精确回收关键技术，实现理论突破，形成设计、仿真和试验验证平台；并充分利用商业航天、整流罩、助推器等工程应用进行优化、改进，进一步提高可靠性和成熟度，最终如图12中所示，实现我国载人航天器翼伞精确回收。

图12 航天器翼伞工程应用示意Fig.12 Diagram of engineering application of spacecraft parafoil

3.2 衍生应用

随着翼伞精确回收技术在航天领域的成熟应用，航天器翼伞精确回收技术也可根据国家需求，适当通过技术转化，支持和引领其他行业发展，拓展应用领域。

1）为商业航天提供低成本、短周期的精确回收服务，助力商业航天快速发展，可利用翼伞为临近空间载人观光舱等提供精确安全回收保障。

2）在军用领域，根据国家需要翼伞精确回收技术可应用于物资、装备的及时和精确补给，如海上舰艇补给、战时物资补给及高原地区物资装备空投，如图13（a）、（b），以及靶弹、无人机等的精确回收，如图13（c）、（d）所示。

图13 军用领域应用场景示意Fig.13 Diagram of military field application

3）在民用领域引领行业发展，推进行业深度融合

在民用领域，翼伞精确回收技术不仅可用于精确投放，如抢险救灾投放物资、低空应急救生等，还可结合动力翼伞作为平台使用，用于农林业植保和大型物流运输，如图 14（a），甚至可用于低速飞行汽车，如图14（b）。

图14 民用领域应用场景示意Fig.14 Diagram of civil field application

4 结束语

航天器翼伞精确回收技术因其应用环境条件复杂、技术难度大、可靠性成熟度要求高，研制具有相当大的挑战性。因此需通过制定好发展规划和技术路线，进行基础理论研究和技术攻关，通过仿真、试验、理论设计互相迭代验证，实现翼型设计理论、控制算法、气动理论计算及仿真方面的突破，在工程应用中不断提高系统的成熟度和可靠性，通过技术成果转化，拓展应用领域，推进行业深度融合，为我国航天强国建设做出新的贡献。