航天器着陆缓冲技术研究进展

王永滨, 武士轻, 蒋万松, 竺梅芳，王立武，4, 黄 伟

(1.北京空间机电研究所，北京 100094；2.中国航天科技集团有限公司航天进入减速与着陆技术实验室，北京 100094；3.南京航空航天大学航天学院，南京 210016；4.东南大学土木工程学院，南京 211189)

航天器在进入或者返回过程中，一般采用降落伞或者发动机等进行减速。一般在有大气的环境下，例如返回地球或者进入火星时，一般采用降落伞减速，将航天器的速度减速到6～13 m/s，但是该速度不会太低，否则降落伞的质量和尺寸将大到不可接受的规格；在一些没有大气的星体探测时，一般采用发动机进行减速，如在开展月球和小行星探测时，一般采用发动机实现航天器慢速抵近目标地点，将航天器接近零速悬停到一定高度(着陆冲击速度3～6 m/s)，随后关闭发动机，探测器最终靠自身重力着陆在目标地点，过近抵近着陆点易导致探测器在发动机反推力和羽流综合作用下产生的倾覆。

航天器如果以上状态不经过任何缓冲过程直接着陆，一般会导致航天器的损毁，如果是载人航天器还将危及航天员的生命。综上，仅采用降落伞或者发动机减速无法实现航天器完成最终着陆，即航天器存留的着陆速度需要采用特殊的着陆缓冲技术将其消耗掉，最终实现航天器的速度降为零。从能量角度来说，航天器着陆前具备一定的动能(如降落伞稳速下降)或者势能(如动力减速悬停态)，需要采取特殊手段吸收着陆过程中的能量，该部分能量一方面通过航天器自身主动吸能，另一方面航天器结构与冲击介质之间也会吸收一部分能量。在设计航天器着陆缓冲能量吸收过程时，需要在考虑冲击介质能量吸收的基础上，采用特殊技术手段实现末段能量的吸收。

1 着陆冲击能量吸收路径分析

航天器着陆缓冲作为航天器最后一个工作过程，伴随着航天器以一定的初速度与目标介质冲击碰撞，不同于之前的降落伞或者动力减速的长时过程，着陆冲击过程时间短且行程小。故工程上一般采用着陆缓冲装置对航天器进行缓冲，通过能量吸收设计，使得最终着陆冲击过程受控。在进行能量吸收设计时，需要统筹考虑整个着陆任务剖面中各环节能量的吸收，结合工程实际开展具体设计。

1.1 着陆缓冲装置能量吸收

在航天器的工程实际实施过程中，需要结合多因素选取最合适的着陆缓冲装置吸收能量，需要考虑的因素包括探测目标、探测方式、着陆缓冲质量、着陆速度、着陆过载、着陆地貌、研制制约条件等多因素。缓冲装置通过多种机制实现着陆冲击能量的吸收，即将着陆冲击的动能和势能转换为缓冲装置的内能。

一般，对于未知地形可以采用全向气囊进行能量吸收，确保着陆器在各类着陆地形下的安全性，而对于可知地形可以采用单向气囊或者着陆缓冲支架装置进行能量吸收。国际上对于缓冲气囊用于航天器的着陆缓冲有及其广泛的应用，如美国在20世纪研究的K-1运载火箭，基于气囊实现20 t级一级运载火箭以及12 t级二级火箭的回收[1]，该项目实现了火箭不小于4gn过载(gn为地球重力加速度)，并结合仿真技术实现了对着陆缓冲的模拟[2-3]。如图1所示，美国在开展火星探测前期，主要采用四面体缓冲气囊缓冲[4]。21世纪，美国开展的“猎户座”及“乘员航天运输-100”均采用了缓冲气囊进行载人飞船的回收，以上两个飞行器的气囊均采用6组缓冲气囊，每组气囊设置用于支撑的内囊和缓冲吸能的外囊[5-7]。美国航空航天局研制的“猎户座”缓冲气囊系统需缓冲的飞船质量为9.5 t，该缓冲系统总重量为110 kg，其排气控制基于压力传感器决策[8-11]。波音公司研制的“乘员航天运输-100”载人飞船气囊相较于“猎户座”飞船6个气囊基础上增加了中心气囊，专门应用于在水上着陆[12-13]。如图2所示，中国新一代载人飞船试验船也采用了缓冲气囊作为其着陆后的缓冲手段，飞行试验已经获得圆满成功。综上，缓冲气囊以其低重量、折叠效率高、缓冲效率高得到了广泛的应用[14]。中国其他大载重气囊主要应用在各型武器装备的空投缓冲上，但此类气囊缓冲效率较低，不适用大载重低过载航天器[15-17]。中国学者针对气囊的高效率缓冲，提出了智能气囊的主动控制技术，并对影响着陆缓冲的各因素进行了优化设计与分析，提升了气囊设计的理论基础研究[18-20]。

图1 火星“探路者”着陆缓冲系统

图2 新飞船着陆缓冲系统

对于需要建立着陆后稳定工作平台的探测任务，着陆缓冲支架要优于缓冲气囊，因为着陆缓冲支架可以建立稳定支撑的平台，可以支撑后续上升和发射等工作。在选取确定的着陆缓冲装置后，一般设计该系统核心缓冲器吸收所有着陆冲击能量，而且留有一定的安全裕度。

国际上用于深空探测的着陆缓冲系统，除了气囊外大部分均采用着陆缓冲支架，20世纪60年代，苏联发射的“月球”(Lunar)系列着陆器，美国发射的“勘测者”(Surveyor)系列着陆器[21]；在载人登月领域，苏联研制的LK载人登月着陆器，美国成功着陆的“阿波罗”月球着陆器(图3)[22-23]，以及近几年美国提出的“牵牛星”[24]和“龙”飞船着陆缓冲装置[25]。欧洲和日本也积极开展月面着陆器着陆缓冲技术研究[26]。中外专家学者围绕月球探测器软着陆缓冲机构关键技术研究开展了深入研究[27-28]，重点对国际上常用探测器缓冲器、展开锁定机构的结构组成、工作原理及其特点、着陆冲击动力学进行分析[29-32]。

图3 “阿波罗”着陆缓冲系统[22-23]

在火星探测领域，美国实现了“海盗号”“凤凰号”在火星上的软着陆[33]。近年来，随着商业航天的兴起，以SpaceX为代表的新型商业公司开展了基于着陆缓冲支架的火箭垂直回收(图4)[34]，引发了世界各国的强烈反响，推动了该技术的新发展。中国在嫦娥系列探测器上配置了着陆缓冲装置，已实现在月面的软着陆，后续计划在火星表面实现软着陆[35-38]。中国高校如哈尔滨工业大学[39]和南京航空航天大学[40-42]也开展了关于着陆缓冲支架的理论研究。北京空间机电研究所针对载人登月着陆缓冲任务，研制了大吨位的着陆缓冲支架，目前该项目已经完成原理样机的研制[43-44]。上海宇航系统工程研究所提出了一种悬臂式着陆缓冲机构构型方案，采用丝杠滑块装置实现探测器姿态调整、着陆腿展开和收拢等功能，为后续载人月球探测的着陆缓冲机构方案设计提供参考[45]。

图4 “猎鹰-9R”着陆缓冲系统

1.2 着陆冲击介质能量吸收

航天器着陆过程首先是一个与散体介质接触碰撞的过程，建立合理可靠的散体介质冲击动力学分析模型是航天器着陆冲击研究的关键问题。中外学者针对在地球、月球和火星探测的着陆过程进行了研究。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提出一种实验原理对“阿波罗”号载人飞船着陆器的着陆冲击问题进行了研究[46]；Cassenti[47]针对着陆冲击中的压力负荷建立了一种解析解模型，并与已有实验进行了对比；William[48]对“阿波罗”号载人登月着陆器的着陆缓冲装置着陆冲击实验进行了研究，通过着陆冲击实验确定了着陆缓冲装置的设计。Merchant等[49]基于蒙特卡洛法对月球着陆器着陆冲击动态特性进行了研究。

针对地球着陆的研究发现，土壤在冲击过程中吸收的能量均达到冲击总能量的65%以上，散体介质是冲击能量吸收的主体[50]。另外作者在前期负责的载人登月月面着陆缓冲装置研制中，在进行全尺寸着陆冲击实验时，发现月壤对于着陆冲击能量的吸收大于50%。从这一点来说，对于着陆冲击响应的特性研究显得尤为重要，因为能量大部分由冲击散体介质吸收，而航天器所需承受的冲击能量只是其中一部分。

航天器着陆后，一般会与接触介质产生冲击碰撞，在这个过程中会有一部分的能量被吸收。即航天器的部分动能转换为接触介质内能耗散掉，包括介质内各颗粒之间的相互碰撞、摩擦及破碎，以上能量耗散效应是驱动能量传递和耗散等宏观现象的主要机制。该过程涉及到复杂系统中的跨尺度效应，系统内自组织行为引起的宏观现象比较复杂。近年来，随着离散元等新技术的发展，为解决模拟星表能量吸收提供了新的技术思路[51-53]。大量的实验现象表明，着陆冲击时散体介质内各质点之间的相互碰撞及摩擦效应是驱动某些宏观现象的主要机制[54]。依据目前的碰撞动力学理论在解决许多复杂的工程实际问题时，尤其是在解决精度要求很高的航天器相关问题时显得有些不足[55-56]。

综上所述，在开展航天器缓冲装置设计的基础上，需要针对离散着陆冲击介质的能量吸收做系统分析，这样可以更加客观的认识着陆缓冲过程。冲击介质的能量吸收比例可以作为航天器着陆缓冲的可靠补充。

2 着陆缓冲装置分类

按末端减速所需制动力的来源(图5)，可将航天器着陆缓冲的方式分为被动式缓冲技术、半主动式缓冲技术和主动式缓冲技术[57]，基于不同的缓冲机理及所选用的材料进行了细分。

图5 着陆缓冲技术汇总

相比而言最为常用的为被动式控制缓冲技术，在被动式缓冲技术中，最为常用的为气/液/固三类机制的缓冲技术，近些年也催生了类固液相的新型缓冲技术，以上均利用自身被动吸能；近年来，随着智能化技术发展，出现了以电磁阻尼、磁流变阻尼和电磁颗粒阻尼为代表的半主动式缓冲技术，该类技术具备一定的智能特性，能够根据被缓冲对象的特性开展一定的适应性缓冲；随着智能结构与材料的发展，出现了以主动控制缓冲技术，将着陆缓冲技术推向智能化领域发展。智能材料可以通过电、热、磁等进行激励和控制，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自修复等普通机械结构不具有的功能。

3 典型着陆缓冲装置设计准则

3.1 气囊类缓冲系统

基于气囊的着陆缓冲系统在着陆缓冲过程中，通过压缩气囊，将航天器的动能转化为气囊内气体的内能[58]。在压力达到设定值时，气体通过排气口排出，通过囊内气体的运动，将其吸收的能量排出，达到缓冲的目的。对于排气式缓冲气囊，最核心的技术指标为缓冲行程，即根据缓冲行程经验公式，计算缓冲气囊的最小缓冲高度，计算公式为

(1)

式(1)中：v1为初始着陆速度；v2为着陆末速度；g为重力加速度；n为允许最大过载值；η为气囊工作效率，一般取0.4～0.6。

在完成缓冲高度设计后，依照气囊结构的特点和安全裕度修正高度值。在此基础上，计算缓冲时间、排气口面积、气囊体积、最大压力、材料应力等，据此结合仿真分析开展气囊结构的细化设计。该方法可以应用于各型缓冲气囊的缓冲性能设计分析，在完成以上工作后可以开展气囊类缓冲系统的详细方案设计，最后通过仿真分析对设计进行预测，通过试验对设计和仿真结果进行验证。

3.2 基于油气式缓冲的缓冲支架

油气缓冲器具有较高的效率和能量吸收能力，且已在航空领域得到广泛应用，另外在早期月球探测以及目前火箭垂直回收得到了广泛的应用，该项技术是回收着陆缓冲技术的重要技术形式和组成部分[59]。油气式缓冲器在航空领域是一个基础研究领域，技术相对成熟。但是，面向空间领域的油气式缓冲器外国已有应用，而中国还处于起步阶段。

在设计油气缓冲器时，需要重点考虑缓冲行程、缓冲过载、缓冲器长度等性能参数。作为初步估算，不考虑轮胎吸能和着陆时飞行器的气动升力，仅缓冲器吸收着陆撞击能量，缓冲行程计算公式为

(2)

式(2)中：N为过载；ns为缓冲器效率；S为机轮的垂直行程；v为下沉速度。

该方法可以作为油气类缓冲器缓冲行程的计算，预估所需设计输入，在此基础上细化各零部组件设计，分析缓冲器类型、限油孔参数等对缓冲性能的影响，建立联合仿真动力学模型验证动力学模型的有效性。

3.3 基于压溃介质的着陆缓冲支架

可压溃材料具有相对密度小、刚度低、压缩变形能力大、宽温域、工作可靠且变形可控等优点，是理想的缓冲材料[60]。压溃式缓冲介质吸能的机理为将探测器着陆时的动能耗散在缓冲器内的结构变形上。基于压溃介质的着陆缓冲支架在深空探测缓冲领域得到了广泛的应用，尤其是在后期月球和火星探测，例如铝蜂窝缓冲器曾经成功地应用在如阿波罗系列着陆器探测器中，该项技术在越来越多的领域得到应用。着陆缓冲装置的设计首先要满足最大着陆过载和冲击能量吸收的要求，不考虑水平速度，一般支腿全部触地时在垂直方向产生的过载最大，此时单个主支腿上的最大压力Fmax可表示为

(3)

式(3)中：M为着陆器质量；amax为允许的最大过载；NL为着陆支腿数量；α为主支腿倾斜角。

在考虑冲击载荷缓冲时，除了对最大过载有要求，对初始冲击过载的变化率也需要限定，以减小在结构和设备上产生的冲击响应，因此一般将缓冲装置设计成多级缓冲。为保证可靠缓冲，设计时一般考虑单支腿能吸收垂直方向大部分能量，两支腿着陆可以吸收全部的能量。即在完成对着陆缓冲行程估算基础上，照能量全部吸收且有一定裕度的原则合理分配各级缓冲行程和载荷，一般通过多体动力学分析计算获得缓冲效果并优化。

该方法可以广泛应用于采用压溃材料进行缓冲吸能的领域，即通过合理设计缓冲吸能材料的缓冲力和缓冲行程，即可以对能量进行有效吸收，进而降低着陆冲击载荷。而对于缓冲力值不是定值的情况，可以采用积分的手段实现能量的吸收计算。

4 技术内涵及关键技术

4.1 技术内涵

航天器着陆缓冲过程实际上可以认为是能量交换的过程，无论是航天器自身的着陆缓冲装置，还是冲击介质碰撞时能量的吸收，其本质均是能量的耗散。如图6所示，以上过程可归结为气、液、固物质的形变引发的能量转换，即将动能和势能转换为内能。

F为作用在缓冲装置的外载荷

对于气体介质的缓冲系统，其缓冲机理主要为气囊受力压缩过程中，气囊内压力增大，实现储能，随后排气过程将能量通过气体释放，该过程时间较短，不涉及外界热交换问题，可以按照绝热过程分析；对于液体介质的缓冲系统，由于绝大部分流体都不是绝对不可压的，液压缓冲机理主要为带阻尼孔的活塞压入充满流体的液压腔体时，液体介质受压后其压强迅速增大，流体通过阻尼孔流至其他空腔内，其间将冲击能量转化为液体的动能和热能；对于固体介质的缓冲系统，其能量转换较为清晰，即将着陆冲击能量转化为固体形变能。

4.2 关键技术分析

着陆缓冲系统是一个复杂的系统，涉及多项关键技术，如高性能缓冲技术、着陆冲击动力学分析技术和地面试验技术。着陆缓冲系统的缓冲能力主要是通过缓冲器吸收冲击能量，高性能缓冲技术是着陆吸能的核心，高效缓冲器的研究对于总体方案的选择和功能实现均具有极为重要的影响；着陆冲击动力学特性是决定着陆器着陆过载和姿态稳定性的关键，也是设计缓冲系统的基础，须建立精准的动力学研究模型，分析缓冲装置和冲击介质能量吸收特性；着陆缓冲系统需要进行地面着陆冲击试验，以验证系统的性能，试验模拟过程中需要精准模拟着陆边界条件，确保设计和分析的正确性。

5 展望

随着航天器返回与着陆任务的增多，尤其是对无损着陆的需求增大，对航天器着陆缓冲技术提出了越来越多的需求，航天器着陆缓冲专业迎来了发展的机遇期。围绕着陆缓冲理论与技术发展，需在航天器着陆缓冲机理研究基础上，推动高效能无损着陆缓冲技术和新概念着陆缓冲理论与方法研究，创新航天器着陆缓冲综合验证技术。

随着载人深空等任务的蓬勃发展，以及以运载火箭回收为代表的超大飞行器回收任务对于缓冲载荷的质量不断加大，这就需要相应缓冲技术具备大载重缓冲的能力，对相关技术能力提出了更高的要求。面向未来多任务、多目标的地外天体着陆缓冲任务，需要基于新材料、新理论和新技术，推动航天器智能化无损着陆缓冲发展，助推航天强国建设[61]。具体发展展望如下。

5.1 开展航天器着陆缓冲机理研究

航天器着陆是一个极其复杂的瞬态冲击过程，其间伴随着复杂的力学问题，目前对于型号任务中的能量的传递机理尚未完全厘清。近年来，每年都有多个航天型号由于着陆时的冲击发生质量问题，包括着陆冲击导致的控制产品元器件失效、冲击致结构破坏、冲击过大不满足使用指标等。在处理这些问题时，由于缺乏对着陆器着陆冲击载荷下的耦合碰撞机理认识，对冲击响应特性研究目前还处在试验，改进，再试验的阶段上。这种解决方法带来的问题是对于问题产生的原因以及问题的解决措施没有进行系统深入的研究，多停留在问题表象，这给后续型号产品研制埋下了隐患。

后续基于航空宇航技术与工程力学学科的研究成果和技术优势，结合理论、数值模拟和试验手段，分析不同着陆姿态、着陆速度、不同星表物理和力学特性对瞬态冲击特性的影响，揭示航天器着陆过程能量传递与耗散机理。采用自适应动力学控制原理，对着陆过程及耦合碰撞特性进行动力学设计，建立着陆冲击性能的评价体系和改进方法，为实现理论研究成果向科学目标和工程目标的转化提供技术支撑。开展基于充气结构缓冲装置的耗能机理研究，揭示柔性充气系统缓冲过程机理与着陆缓冲特性研究。

5.2 推动高效能无损着陆缓冲技术发展

以SpaceX可重复使用火箭为代表的无损着陆缓冲技术为代表的航天任务掀起了无损回收的热潮，如何实现高效能回收是目前中外研究的热点。面向航天器大承载、高可靠、安全着陆需求，需开展新型接触式高效着陆缓冲吸能材料研究，突破微观机理到宏观特性的理论建模和物理预测等关键技术。开展接触式高效着陆附着机构技术，为实现星表非固定位置的多点多维度探测提供装备支撑；面向未来空天往返中水平降落与垂直降落的任务需求，开展高速水平着陆起落架技术与垂直回收技术研究，探索大载荷条件下运载器着陆缓冲支架吸能和姿态自适应调节新方案；围绕新缓冲机理，开展以超材料缓冲技术为代表的材料功能集成一体的缓冲吸能技术，提升缓冲效率；此外在缓冲形式上，后续需要开展半主动和主动控制的吸能手段，提升智能化的能量吸收系统。

5.3 开创新概念着陆缓冲理论与方法

为了确保中国在未来空天往返、载人探月、深空探测等国防战略需求，需要发展如仿生结构技术为代表的一系列前沿技术。面向未来的航天任务，在非确定性环境下的着陆缓冲过程中，通过对周围环境进行充分感知，基于环境数学建模和识别开展智能着陆控制算法研究，结合多信息融合的并联协同智能控制技术研究，实现基于环境感知的智能自主控制，为精细化着陆提供保障。为了实现航天器的无损安全着陆，除了缓冲气囊、软着陆支架等接触式缓冲技术，也可类似于联盟号飞船、神舟飞船，采用发动机反推制动等非接触式着陆缓冲技术。针对未来在地外天体表面的多点探测、物资转运、基地建造等任务对可移动着陆机构的需求，开展可移动、可重复使用以及可全地形适应的着陆机构的构型设计及其控制方法的研究，为未来的多任务、多目标及高环境适应性的地外天体探测任务提供装备保障。

5.4 加强航天器着陆缓冲综合验证技术

随着中国航天事业的发展，深空探测、载人航天、空间基础设施建设等将进一步拓展，具备星表探测与天地往返能力的航天器成为重要的发展方向。无论是返回地球的着陆，还是降落地外天体的着陆，均为航天器飞行任务的关键环节，必须对其着陆安全进行充分的地面验证。

航天器着陆综合验证技术是验证航天器关键性能的重要手段。围绕验证的真实性和有效性，需要开展大载重航天器高精度着陆投放试验技术研究、大尺度高速随动低重力模拟试验技术研究、基于相似性理论的低重力场软着陆冲击试验研究、自动控制与乘员干预飞行模式试验技术研究、地外天体表面特性模拟技术研究，以及复杂试验设施预示仿真技术研究。通过以上研究实现地外天体着陆试验技术体系的完善，为中国深空探测、载人登月等任务提供保障。相关验证技术手段可以扩展至航空等领域，如飞机的坠撞试验等，有效提升试验的精度。

6 结论

(1)对航天器着陆冲击过程能量吸收路径进行了分析，提出需要考虑着陆缓冲装置和冲击介质能量吸收两个环节。

(2)按终端减速所需制动力的来源，将航天器着陆缓冲分为：被动式缓冲、半主动式缓冲和主动式缓冲。

(3)给出三类典型着陆缓冲系统设计准则和应用领域。

(4)提出着陆缓冲系统基于气、液、固三类介质缓冲吸能体系，对应分析了缓冲机理，对其关键技术进行了分析。

(5)对航天器着陆缓冲技术后续发展提出了展望，为该技术未来发展指出了方向。