中国航天报：天问一号其实带了两顶降落伞
几天前，天问一号探测器成功着陆火星。火星着陆要解决的一个关键问题是减速。速度怎么减下来？除了靠大气摩擦和发动机反推，另外方式就是使用降落伞了。“降落伞是目前最经济、最高效的减速方法，国内外所有的火星着陆任务均采用了降落伞进行减速。”航天科技集团五院508所总工程师黄伟说。中国航天报记者专访了黄伟，请他解答火星降落伞背后的黑科技。天问一号采用一顶主降落伞，降落伞是锯齿形盘缝带伞，颜色为红白色，展开面积达到了200平方米。伞的顶部是盘，接着有一圈缝，下面是带，带的尾部做成了锯齿形，有利于承力和确保稳定性。降落伞打开后，靠48根伞绳牵引。还有一顶小的降落伞——筒盖减速伞。“降落伞冲破筒盖（伞舱盖）弹出后，为了防止筒盖跌落砸到主降落伞，特意给筒盖配了一顶小伞，主要目的是给筒盖减速。”黄伟说。筒盖减速伞比主伞小很多，展开面积只有0.6平方米。整个降落伞（含筒盖减速伞）的重量不到40kg，包装体积不到60升。真正降落火星的是天问一号探测器的着陆巡视器，着陆巡视器装在进入舱里，在进入舱背罩穹顶的正下方，有一个60升大小的弹伞筒，降落伞就装在弹伞筒内。弹伞筒大有学问。它是我国目前航天器使用的最大火工装置之一，要一次性将降落伞以足够的分离速度弹射出去，同时不能有太大的后坐力破坏着陆巡视器的结构。伞舱盖用于对降落伞进行密封和热防护，要有足够的连接强度，同时又不能太强，因为要保证能够顺利被伞包顶开。天问一号着陆巡视器进入火星大气后，先在自身的气动外形下减速，当下降速度达到约2倍声速，距离火星表面约11公里时，要打开降落伞，以进一步减速到约95米/秒。着陆巡视器发出弹伞指令，弹伞筒内的火药点燃，火药产生高压燃气，推动桶内的活塞运动，活塞向外推降落伞的伞包，冲开尾部的伞舱盖飞出弹伞筒。随着伞包与着陆巡视器的分离，降落伞从伞包中以倒拉的方式逐步受控拉直，并充气张满。另一边，弹伞筒内的活塞运动到一定程度后，会被专门设计的捕获包“抓捕”，防止它和伞包前后脚飞出弹伞筒，进而撞击到主伞包。筒盖被伞包冲击分离后，会拉出一定舱盖伞，以确保筒盖和主降落伞保持足够的安全距离，防止碰撞。在距离火星约1.2公里的高度，降落伞和背罩一同与着陆巡视器分离，降落伞的使命就结束了。火星降落伞的开伞条件比较特殊，主要体现在超声速、低密度、低动压开伞。超声速条件下，前体产生的尾流对降落伞的稳定充气产生较大的干扰，降落伞的充气形状不稳定会出现较为严重的“呼吸”和“喘振”现象；火星大气密度低，降落伞需要更大的面积，从而增加了重量和体积，另外在低密度情况下，降落伞的稳定性会降低，摆动角变大；低动压条件下，降落伞的气动阻力降低，导致从“呼吸”“摆动”等状态恢复到较稳定的状态变得相对困难。综合来说，火星降落伞是超声速伞，这是我国在新飞船试验船任务后，第二次实战超音速开伞，还要适应低密度低动压条件下稳定性干扰显著的问题。这需要达到阻力性能和稳定性能较好的平衡，以及开伞载荷和强度设计较好的优化。针对火星环境的不同，以往航天器的降落伞伞型（主要有环帆伞、带条伞等）不适合火星探测器使用，它们或者不能满足超声速开伞的需求，或者不能满足低密度低动压下的稳定性需求，因此火星着陆选用了盘缝带伞的伞型。团队对盘缝带伞的设计参数进行了优化，首次使用了一些新研的特纺材料。在伞绳连接等环节，首次使用了插接工艺，与之前使用的缝纫工艺比，更能提升伞绳的强度，我国未来的航天降落伞将推广这种插接工艺。火星降落伞真正在火星上使用前，需要先在地球上进行功能、性能、设计裕度等的验证。火星探测任务的特殊性为降落伞减速系统的研制与验证带来了巨大的挑战，这从欧空局近年来在火星降落伞高空试验验证时连续失败可见一斑。在地球上，最接近火星真实开伞条件的试验模拟方法，就是高空开伞试验，即在地球表面45km左右的高度创造一个超声速开伞条件。团队采用了探空火箭的方式，将降落伞送到高空，进行了高空开伞试验验证。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2021-05-20
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