CC讲坛黄伟：让航天员安全回家

北京空间机电研究所回收着陆专业总工程师黄伟

　　新浪财经讯 CC讲坛第28期于2018年12月17日在北京东方梅地亚中心M剧场举行，北京空间机电研究所回收着陆专业总工程师黄伟出席并演讲，主题为《让航天员安全回家》。

　　作为航天器返回的核心技术之一，降落伞是保证航天器安全着陆和航天员生命安全的重要方式。面对国外高昂的转让费和技术壁垒，中国航天人自主创新、攻克难关，成为了继美国、俄罗斯后第三个独立自主掌握航天器返回技术的国家。

　　以下为演讲实录：

　　黄伟：在2018年10月11日的时候，俄罗斯的联盟火箭发射联盟飞船，当时发射升空两分钟，火箭出现了故障，飞船启动了应急返回的程序。最终两名航天员，在降落伞的作用下安全地降落到了地面。这次事件也再次警醒人们，载人航天事业存在着巨大的风险，也说明了航天器安全着陆至关重要。

　　那么怎么才能够保证航天器安全着陆呢？航天器返回和航天发射正好相反。航天发射大家耳熟能详，一般是利用运载火箭，使得航天器获取足够的运行速度，例如超过7.9公里每秒的第一宇宙速度，它就能进入环绕地球的轨道。而航天返回，就是要使得航天器脱离原来的轨道，进入大气层，并且最终减速安全降落到地面。

　　航天器具有高速的飞行速度，利用它自身的气动外形，是不足够减速到安全的程度。所以说降落伞，在我们航天器返回里面是至关重要的一个部分，也是确保航天员生命安全最重要的环节之一。

　　我们可能会问，航天器、降落伞，它有什么样的技术特点和难点。我们与人用的运动伞做个比较，一般人用运动伞，它的作用重量就是人体的重量——几十公斤。而航天器降落伞作用的重量，可能会达到几千公斤甚至更重。人用伞的开伞速度是几十米每秒，而航天器降落伞开伞速度要达到几百米每秒，甚至几倍的声速。运动伞，它的伞衣的面积，一般很少超过20平方米，而我们航天器的降落伞，动辄就要上百平米，甚至上千平米。

　　对于神舟飞船的主伞而言，是一顶1200平方米的降落伞，展开的话，就会覆盖三个篮球场的大小。我们要把它安全地包装到一个200升容积的伞包里面，其实这个包伞的难度就是不简单的。因为不是简单地用力把它塞进去，塞到伞包里面就万事大吉。包伞最主要的是确保有序，而飞船1200平方米的降落伞，有96根50米长的伞绳，和人用的这种运动伞相比，它只是几根或者十几根。那么这么多伞绳，这么长的伞绳，是非常容易出现缠绕现象的，如果控制不好的话，有可能导致降落伞开伞失败，甚至使得整个飞船最后坠毁，所以我们必须确保降落伞包伞的可靠。

　　我们经过长期的摸索，制定了非常详细的降落伞的包装工艺方案，包括从晾伞到整理、梳理伞绳、折叠伞衣和压力包装封包等等，有几十道工序。其中为了确保伞绳不缠绕，最主要的就是采用了一些专用的工具，比如梳绳夹。在包伞的过程中，使九十六根伞绳，绝对不会互相地缠绕。另外我们在伞绳和伞包连接的时候，是按照有序的，一段一段地把伞绳和伞包连接固定，确保它开伞的过程中是有序的。

　　在神舟飞船主伞研制的早期，当时我国的返回式卫星，它的主伞是120平方米，和飞船的这个1200平米正好差了一个数量级。当时也曾经试图想引进国外的特大型降落伞的技术，但是对方提出来的转让费用非常高昂，而且还对我们的使用提出了很多的限制。如果我们真的自己不能掌握特大型降落伞技术的话，必然对我国后续的载人航天的发展，以及深空探测的发展产生很多的掣肘。

　　也有人可能会问，我们以前降落伞也做了很多，比如返回式卫星也有120平米的，作为1200平米，是不是比例放大，稍微修改一下就可以了。问题不是这么简单，因为对于特大型降落伞，它会产生很多的问题。比如一个比较难的问题，就是特大型降落伞在它拉直和充气的过程中，是非常容易出现很大幅度的弯曲，我们把它形象地称为绳帆现象。绳帆现象就是伞衣和伞包出来的过程中会剧烈地摩擦，会对伞衣产生很强烈的灼伤。另外就是在开伞充气的时候，特大型降落伞由于气流非常的不稳定，由于不对称的充气就容易出现我们称为甩鞭的现象，类似于甩鞭子一样，就会剧烈地摆动，甚至导致上部伞衣和下部伞衣碰撞，这样就会使降落伞破坏。

　　针对这个问题，国外也有文献介绍，但是具体怎么解决，是没有任何说明的。我们的研制团队经过长期的摸索，包括开展大量的仿真分析，通过进行多项的实验验证，最终针对这个绳帆和甩鞭的现象采用了剥离带和牵顶伞两者结合的一个方式，以此来解决这个问题。基本的思路也还是比较清晰，就是特大型降落伞在它拉直和充气的过程中，我们始终让它顶部受到一个约束力，比如它从伞包出来的时候，伞包和伞衣之间通过剥离带，来控制它不让它甩。它初始充气的时候，我们在它的伞顶上先开一个小伞，这个小伞充气了就对它产生一个牵引力，这样它想甩也甩不起来。这个方式经过多次空投试验的验证，证明是非常成功的，也保证了后续一系列载人飞行试验圆满的成功。

　　航天器降落伞在开伞的时候，由于飞行的速度非常的高，会产生很大的开伞动载、对于降落伞而言，我们是采用特纺材料，就是轻质高强的一些纺织的材料。这些材料的强度，能够比钢还要强，但是光靠降落伞的强度提高是不够的。因为降落伞的开伞动载会传递到航天器上，也会作用到里面的航天员。神舟飞船要求整个开伞过程，航天员承受的过载不能超过五个G。怎么能够控制降落伞的开伞动载在一定的范围内呢？我们采用了收口技术以及采用多级伞的方案，也就是说在航天器高空高速的时候我们先开小伞，然后作用一段时间以后再开大伞。

　　大家通过一个视频可以看到这是一个收口和多级伞系统的演示，一开始先开一个小伞，这个小伞也是进行收口的。它在收口的过程中已经对这个飞行器在减速了，那么减速到一定的程度再张开一个大伞，再把伞整个张满，这样的话能够使得降落伞的动载比较小。多级伞就是先用减速伞作用了一段时间再开主伞，主伞也是采用了收口。这是解除收口的过程。这就使整个航天器能够在几百米每秒的速度，最后降落到十米每秒左右的速度一个量级。

　　飞船的降落伞系统由于有航天员的存在，必须要适应各种应急返回和逃逸救生的要求，所以我们飞船降落伞采用了主份和备份两套独立的降落伞系统。都是由引导伞、减速伞和主伞组成，然后减速伞和主伞也都采用了刚才提到的收口技术。针对降落伞多级伞的方案，由于它工作的高度、速度不一样，它的特点其实是不一样的，所以我们的降落伞有多种伞型。

　　在这里就以飞船作为一个例子，给大家做一个说明。比如飞船的主伞，我们使用的是环帆伞这种伞型，环帆伞这种伞型的伞衣是比较致密的。它充满的时候，环与环之间会有一定的重叠，它的周边形成了一个类似于鱼鳞状的结构构型。下降的过程中，周边的气流会更加的紊乱。我们就要追求这种紊乱的效果，使得它的气动阻力更大。环帆伞还有一个突出的优点，就是它不会出现连锁破坏的情况。即使局部出现了破损，破损也不会扩散，还是能保证整体的减速效果，对航天员的安全是非常有利的。

　　飞船的减速伞使用的是锥形带条伞伞型。带条伞突出的优点就是结构强度高。它能够适应高速、高动压的开伞条件。另外大家可以看到带条伞，它中间的缝隙比较大，我们称为结构透气量比较大。透气量大就使得开伞冲击比较小，有利于为主伞创造条件。飞船的引导伞有两顶，一个大引导伞、一个小引导伞。这主要是为了要确保一定能够把伞系陆续地拉开。

　　小引导伞，我们用了刚才说的带条伞，大引导伞是用了一种叫环缝伞。环缝伞跟带条伞很像，也是一环一环，但是它相对来说，环的宽度比较宽，环与环之间的缝隙要小一些。作为引导伞，它的特点就是充气非常的迅速，在开伞的时候，能够很迅速地就充上气，然后把减速伞拉出来。主伞上面的牵顶伞我们又用了一种叫导向面伞。导向面伞的最主要的优点就是稳定性非常好。我们在风洞里做吹风试验，可以很清晰地证明导向面伞的摆动角度是在三度以内。作为主伞的牵顶伞，对于刚才给大家提到的甩鞭的情况，它就能够起到很好的约束效果。

　　航天器降落伞还有一个特点就是工作程序不可逆。在空中一开伞就要按照特定的程序

　　陆续地执行相应的动作。我们也可以直观地想象，不可能在天上把伞开出去，再适时地又收回来重新再开，这是不可能的。正所谓开弓没有回头箭，即使像飞船这种有主份、备份，如果主份出问题转备份的话也一样。实际上返回舱的高度一直是在下降的，航天员的安全高度一直都在损失。所以降落伞一定要保证非常高的可靠性，我的体会是从事降落伞工作，一方面我们要通过设计保证产品的可靠性，另外一方面，严谨细致的工作作风、一丝不苟的过程控制也是至关重要的。

　　我刚参加工作不久，有一次参加降落伞的空投实验。当时工作一天下来有点累，然后看到旁边包好的降落伞，我就想过去靠着休息一会儿，我旁边的老专家连忙把我拽住了，制止了我的行为。还给我讲了一件事，当年他们做返回式卫星降落伞空投实验的时候，有一位同事工作一天下来累了，就在一个包好的伞包上坐了一小会儿，第二天一大早，我们每次都要开班前会，当时带队的王希季院士，王院士是我们国家航天器返回技术的开创者，也是两弹元勋，他当时就说头一天晚上根本就没睡着觉。就是因为看见这个同事在这伞包上坐了一会儿，他就一直担心会不会影响包伞状态。最后大家还是按照要求，把这个伞，包好的伞拆了，重新检查，再重新包装。

　　这个事情一直让我记忆犹新，工作16年来，这种体会也愈加的深刻。我们从事航天器返回的研制人员，一定要以一丝不苟的工作作风来面对所有的问题，绝对不能有任何的疑点。

　　因为大家也可以想象，航天员他们是我们祖国的宝贵财富，也是华夏儿女深切的寄托。他们冒着巨大的风险进入太空，我们肩负着使他们能够平安回家的重任，怎么能够有丝毫的掉以轻心？

　　2003年10月16日，神舟5号飞船圆满成功。航天员杨利伟是自主出舱的。中国首次载人飞行获得了举世瞩目的成绩。后来，杨利伟来到我们研究所，他现场要参观这个降落伞的生产的情况，当时他就由衷地感叹，有这样的团队心里面就踏实了。

　　从神舟6号开始，每一届的航天员在飞行试验之前都要到我们所里，来看这个降落伞的生产的现场，看这个包装的过程，也就是要看一看伴随他们一块上天的这个降落伞。而我们每次交流，研制人员，真的更加深刻地体会到使命光荣，责任也重大，必须一丝不苟做好每一件工作。

　　航天器降落伞还有一个特点，在它工作的时候，就是返回式航天器已经是最后的工作阶段，降落伞要经历全部的工作历程。这个也对我们这些研制人员提了一些新的要求。我第一次，是2003年去酒泉卫星发射场参加返回式卫星的发射。当时发射非常成功，很快进入了预定的轨道，各个系统都已经在那热烈地祝贺，但是我们这些从事航天器返回的人员内心还一直忐忑不安。直到十多天以后返回舱再入大气，确认降落伞正常开伞的那个瞬间，那绷着的心才放松了下来。的确是这样，每一次返回式航天器的飞行试验，我们这些负责返回的人只能是笑到最后，当然笑到最后也是笑得最美的。

　　中国航天发展的60年，航天器返回技术也取得了长足的发展。我国是目前世界上第三个掌握航天器返回技术的国家，事实上现在也就只有美国、俄罗斯和中国具备使航天器返回的能力。我们的航天器降落伞技术可以自豪地说，和美国、俄罗斯的先进技术相比是不遑多让。航天器降落伞应该是我国完全自主创造的一道美丽的风景。

　　2018年，我们的航天器降落伞技术也是一个验证的大年。我们在内蒙古根河市做了半年多的各项空投试验。因为我们现在面临着可重复使用卫星、火星探测器、新一代飞船等等一系列的新任务，也面临新的挑战。就以火星探测来举一个例子，简单说明一下我们面临的挑战。因为我国的首次火星探测会有一个环绕器，还有一个着陆巡视器。着陆巡视器利用降落伞进行气动减速，最后安全降落到火星表面。火星降落伞就要经历火星探测所谓的“黑色七分钟”。黑色七分钟就指火星探测器，以将近六公里每秒的速度，从环绕火星的轨道进入火星大气，最后安全降落。整个过程大概是七分钟，也是火星探测任务里面最关键、难度最大的工作阶段。从1971年，前苏联的第一个火星着陆器火星2号开始，到现在一共是15个火星着陆器，这15个里面只有9个是成功，或者说是部分成功。大部分的失败都出现在这七分钟里。最近的一次是在2016年10月份，欧空局的夏帕瑞丽火星探测器着陆失败了。后来分析原因，非常重要的一个因素就是在降落伞超声速开伞情况下的颤振，使得它的着陆器的控制系统出现了故障。

　　我国的火星降落伞面临着具体什么新的问题呢？因为火星的环境跟地球差别很大，火星大气的密度是地球的1% 这样一个量级，就会使降落伞面临超声速、低动压、低密度的一个开伞条件。超声速情况下，降落伞不容易充气，气动干扰比较严重，而且会有固有的高频颤振的一些情况出现；低动压的情况下，降落伞的稳定性是不容易保证的，就更加容易出现所说的绳帆、甩鞭，包括一些呼吸现象都会出现；低密度情况下，降落伞的减速效果是大打折扣的，所以我们的火星降落伞要采用一顶200平方米，就是一次性就要把它充满，因为不可能采用收口了，它的减速效果太差，用收口没什么作用。

　　我们的火星降落伞也是他山之石可以攻玉。我们充分研究分析了美国成功地采用的盘缝带伞的伞型，在这个基础上也进行了创新。一方面我们把伞衣的整个结构进行了一个设计优化。我们采用了锯齿形的盘缝带伞使整个伞衣的受力更加合理。另外我们首次在火星降落伞上把伞绳的连接方式进行了创新，以前都是用缝合的形式，类似穿针引线。缝合部位它的强度一定是弱于伞绳本体的。我们采用了插接的新方法，使它的连接部位的强度也能够不低于伞绳本体，这样我们火星降落伞的强度性能更加有保证。我们也进行了大量的仿真分析，完成了一系列的高空开伞试验、强度空投实验等等，已经掌握了火星降落伞的气动特性，包括它的一些高频颤振的特性，现在型号也进入了这样的研制阶段。

　　我对我们的火星降落伞是充满了信心。现在中国正在向航天强国建设而努力，也对我们航天器返回技术、航天器降落伞技术提出了更多的要求。我们也需要不断地开拓创新、发展，让我们更深远地探索宇宙，让我们更安全地返回家园。谢谢大家的聆听。

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责任编辑：谢长杉