国防科技大学空天科学学院讲师张梦樱为您讲述——
下降伞系统：航天器着陆的“平安之花”
4月16日上午，一顶红白相间的下降伞在东风着陆场上空像一朵鲜花徐徐睁开。随着返回舱的着陆，3名航天员平安归航，神舟十三号载人航天义务取得圆满乐成。
在广袤的东风着陆场，下降伞就是最显著的指引。只要捕捉到它的身影，地面搜救职员就犹如吃了一颗放心丸。
下降伞是行使空气阻力实现气动减速的装置，在载人航天返回、类地天体探测中施展着举足轻重的作用。
今天，就让我们对下降伞系统一探事实。
载人飞船下降伞——
守护航天员回家“最后十公里”
让我们再次把视线拉回4月16日那天，回首神舟十三号飞船的返回历程。
神舟十三号飞船在轨航行5圈后，首次在快速返回模式下返回地球。与神舟十二号飞船返回相比，该模式将返回时间由一天多缩短到几小时，大大改善了航天员的恬静性，提高了义务完成效率。
履历了热障和黑障，载人飞船接纳着陆的最后一棒交给了神舟飞船下降伞系统。
距离地面10公里高度时，飞船速率由第一宇宙速率降到约莫200米/秒，多级开伞程序启动。
首先，返回舱上的静压高度控制器通过丈量大气压力，判断开伞高度，伞舱盖自转动出，指导伞和减速伞依次拉出。减速伞将返回舱速率减至约180米/秒。随后，飞船返回舱速率和高度进一步降低，主下降伞从伞舱弹出，履历两级充气减速，速率降至约40米/秒。此时，1200平方米的主伞完全睁开，防热大底被抛掉。下降历程中，返回舱减速至约7～8米/秒，保证航天员在低速状态下平稳下降。
经由层层开伞减速，为制止着陆缓冲段返回舱与地面“硬碰硬”，在距地面高度约1米时，返回舱正确控制4台着陆反推发念头，通过反推 “刹车”的方式，将速率降至约2米/秒，实现精准软着陆，以减轻航天员所受打击。
落地并非万事大吉，主伞可能会被风吹起，拖曳返回舱在地面滑跑，顺风情形下可转动七八千米。为此，在落地瞬间，主伞上的切割器将剪断伞绳，让主伞脱落，确保返回舱不会被拖走。
事实上，为确保航天员的平安，自神舟九号起，飞船接纳着陆系统就在程序脱伞模式基础上，增添了航天员手动脱伞模式，有用制止了着陆场环境对航天员的威胁。
地外行星下降伞——
护航祝融号落火的使者
有人提出疑问，返回地球义务所用的飞船下降伞系统是否适用于种种航天义务？让我们以天问一号火星探测义务为例，探讨一下这个问题。
禁止堂食岂能打“擦边球”
天问一号着陆的红色星球——火星，素有“探测器墓地”之称。全天下累计40余次火星探测义务中，能乐成穿越火星大气层，平稳着陆的仅有9次。中国之以是能成为天下上第二个乐成实现火星软着陆并开展火星探测的国家，火星下降伞功不能没。
2021年5月15日，在履历296天太空之旅后，中国首个火星探测器天问一号携带着祝融号火星车稳稳下降在首选落点——火星北半球的乌托邦平原。
履历5分钟左右的气动减速，探测器速率降至约2马赫。此时，火星下降伞“登场”，它的义务是把天问一号从2马赫的超声速减速至95米/秒。
火星大气层稀薄，在10千米高度、大气密度仅为地球大气密度的1/100。因此，在着陆阶段，为天问一号保驾护航的火星下降伞，与地球返回义务所用的下降伞相比，在开伞条件、事情状态和结构设计上均大不相同。
由于火星大气层密度低，探测器在气动减速之后，速率仍比声速快，动压却只有500帕左右。在超声速条件下开伞，下降伞伞衣前将泛起弓形激波流场。只管这道激波不足以使下降伞流场环境变庞大，但伞前面尚有一个探测器。探测器不仅自身会发生一道激波，还会在厥后方形成一道又细又长的尾流。可以想见，当探测器尾流和伞前的激波“狭路重逢”，下降伞周围将形成高度庞大的非定常流场，导致伞衣凶猛发抖，像水母一样“呼吸”起来，发生一系列严重的“喘振”征象。
大气层密度低会带来这样的挑战：获得一致气动阻力需要更大伞衣面积，系统重量和体积响应增添。同时，会使下降伞的稳固性降低、摆动角变大。而低动压意味着低气动阻力，进一步增大了伞从“呼吸”和摆动状态恢复稳固的难度。云云状态下，开伞可谓“步步惊心”。
因此，在火星下降伞的结构设计上，要顺应低密度低动压条件下稳固性滋扰显著的问题，就要提高下降伞强度、局部结构抗发抖等庞鼎力学环境的能力，并注重提高下降伞抗损伤扩展的能力。
天问一号使用的下降伞是锯齿形盘缝带伞：在平面圆形伞的盘周围增添一个环形的带，二者中央开缝。同时，在底边部门增添三角条幅，才气知足低密度低动压条件下的系统稳固性，增强局部结构承载能力。
在局部增强质料方面，为应对火星环境，天问一号下降伞接纳新的芳纶质料。另外，为了提高毗邻强度，伞绳也内藏乾坤，接纳新的插接工艺，直接把质料本体插接在一起，制止缝纫带来的强度损失。
下降伞的未来之路——
大型群伞手艺未来可期
为了更好地减速，研制更大的单伞并非首选。
2020年5月8日，3朵红白相间的伟大伞花挂着一个锥形钝头舱体在东风着陆场上空徐徐下降。这是新一代载人飞船试验船返回舱。新一代载人飞船重量是神舟飞船的两倍，最多可承载7名航天员返回地球。这就需要顺应新义务的下降伞减速系统。
新一代载人飞船试验船接纳接纳了大型群伞手艺。群伞由3具巨细与神舟飞船下降伞面积相当的单伞组成，可保证新一代载人飞船这个“人人伙”在回家“最后十公里”有用平安减速。
除了群伞手艺，针对差异义务需求，尚有更多研究要点需要注重。
好比，下降伞在地球的模拟研究。差异行星，大气环境也差异，传统的地球低高度空投试验不能有用验证行星下降伞系统是否及格。要想知道差异行星环境下下降伞是否可根据预想可靠事情，需合理选摘要害参数，模拟行星大气开伞的现实条件，通过多次地面验证，才气准确回覆这一问题。
还好比，对下降伞的质料及强度的研究。研究职员必须追踪高性能柔性织物质料的生长，质料性能的提升会带来设计方案的转变。
在未来一段时间内，下降伞依旧是航天器着陆的首选减速装备。凭证计划，2022年中国载人航天工程将完成6次发射义务，包罗天舟四号和天舟五号货运飞船、神舟十四号和神舟十五号载人飞船，以及问天实验舱和梦天实验舱的发射。届时，中国空间站将周全建成，中国载人航天工程可谓“好戏连台”。
让我们配合期待红白相间的飞船下降伞再次在东风着陆场高空绽放，护送航天员平安归航。
张照星 顾 莹
【编辑:苏亦瑜】 ,