北京空間機電研究所回收著陸專業總工程師黃偉

　　新浪財經訊 CC講壇第28期于2018年12月17日在北京東方梅地亞中心M劇場舉行，北京空間機電研究所回收著陸專業總工程師黃偉出席并演講，主題為《讓航天員安全回家》。

　　作為航天器返回的核心技術之一，降落傘是保證航天器安全著陸和航天員生命安全的重要方式。面對國外高昂的轉讓費和技術壁壘，中國航天人自主創新、攻克難關，成為了繼美國、俄羅斯后第三個獨立自主掌握航天器返回技術的國家。

　　以下為演講實錄：

　　黃偉：在2018年10月11日的時候，俄羅斯的聯盟火箭發射聯盟飛船，當時發射升空兩分鐘，火箭出現了故障，飛船啟動了應急返回的程序。最終兩名航天員，在降落傘的作用下安全地降落到了地面。這次事件也再次警醒人們，載人航天事業存在著巨大的風險，也說明了航天器安全著陸至關重要。

　　那么怎么才能夠保證航天器安全著陸呢？航天器返回和航天發射正好相反。航天發射大家耳熟能詳，一般是利用運載火箭，使得航天器獲取足夠的運行速度，例如超過7.9公里每秒的第一宇宙速度，它就能進入環繞地球的軌道。而航天返回，就是要使得航天器脫離原來的軌道，進入大氣層，并且最終減速安全降落到地面。

　　航天器具有高速的飛行速度，利用它自身的氣動外形，是不足夠減速到安全的程度。所以說降落傘，在我們航天器返回里面是至關重要的一個部分，也是確保航天員生命安全最重要的環節之一。

　　我們可能會問，航天器、降落傘，它有什么樣的技術特點和難點。我們與人用的運動傘做個比較，一般人用運動傘，它的作用重量就是人體的重量——幾十公斤。而航天器降落傘作用的重量，可能會達到幾千公斤甚至更重。人用傘的開傘速度是幾十米每秒，而航天器降落傘開傘速度要達到幾百米每秒，甚至幾倍的聲速。運動傘，它的傘衣的面積，一般很少超過20平方米，而我們航天器的降落傘，動輒就要上百平米，甚至上千平米。

　　對于神舟飛船的主傘而言，是一頂1200平方米的降落傘，展開的話，就會覆蓋三個籃球場的大小。我們要把它安全地包裝到一個200升容積的傘包里面，其實這個包傘的難度就是不簡單的。因為不是簡單地用力把它塞進去，塞到傘包里面就萬事大吉。包傘最主要的是確保有序，而飛船1200平方米的降落傘，有96根50米長的傘繩，和人用的這種運動傘相比，它只是幾根或者十幾根。那么這么多傘繩，這么長的傘繩，是非常容易出現纏繞現象的，如果控制不好的話，有可能導致降落傘開傘失敗，甚至使得整個飛船最后墜毀，所以我們必須確保降落傘包傘的可靠。

　　我們經過長期的摸索，制定了非常詳細的降落傘的包裝工藝方案，包括從晾傘到整理、梳理傘繩、折疊傘衣和壓力包裝封包等等，有幾十道工序。其中為了確保傘繩不纏繞，最主要的就是采用了一些專用的工具，比如梳繩夾。在包傘的過程中，使九十六根傘繩，絕對不會互相地纏繞。另外我們在傘繩和傘包連接的時候，是按照有序的，一段一段地把傘繩和傘包連接固定，確保它開傘的過程中是有序的。

　　在神舟飛船主傘研制的早期，當時我國的返回式衛星，它的主傘是120平方米，和飛船的這個1200平米正好差了一個數量級。當時也曾經試圖想引進國外的特大型降落傘的技術，但是對方提出來的轉讓費用非常高昂，而且還對我們的使用提出了很多的限制。如果我們真的自己不能掌握特大型降落傘技術的話，必然對我國后續的載人航天的發展，以及深空探測的發展產生很多的掣肘。

　　也有人可能會問，我們以前降落傘也做了很多，比如返回式衛星也有120平米的，作為1200平米，是不是比例放大，稍微修改一下就可以了。問題不是這么簡單，因為對于特大型降落傘，它會產生很多的問題。比如一個比較難的問題，就是特大型降落傘在它拉直和充氣的過程中，是非常容易出現很大幅度的彎曲，我們把它形象地稱為繩帆現象。繩帆現象就是傘衣和傘包出來的過程中會劇烈地摩擦，會對傘衣產生很強烈的灼傷。另外就是在開傘充氣的時候，特大型降落傘由于氣流非常的不穩定，由于不對稱的充氣就容易出現我們稱為甩鞭的現象，類似于甩鞭子一樣，就會劇烈地擺動，甚至導致上部傘衣和下部傘衣碰撞，這樣就會使降落傘破壞。

　　針對這個問題，國外也有文獻介紹，但是具體怎么解決，是沒有任何說明的。我們的研制團隊經過長期的摸索，包括開展大量的仿真分析，通過進行多項的實驗驗證，最終針對這個繩帆和甩鞭的現象采用了剝離帶和牽頂傘兩者結合的一個方式，以此來解決這個問題。基本的思路也還是比較清晰，就是特大型降落傘在它拉直和充氣的過程中，我們始終讓它頂部受到一個約束力，比如它從傘包出來的時候，傘包和傘衣之間通過剝離帶，來控制它不讓它甩。它初始充氣的時候，我們在它的傘頂上先開一個小傘，這個小傘充氣了就對它產生一個牽引力，這樣它想甩也甩不起來。這個方式經過多次空投試驗的驗證，證明是非常成功的，也保證了后續一系列載人飛行試驗圓滿的成功。

　　航天器降落傘在開傘的時候，由于飛行的速度非常的高，會產生很大的開傘動載、對于降落傘而言，我們是采用特紡材料，就是輕質高強的一些紡織的材料。這些材料的強度，能夠比鋼還要強，但是光靠降落傘的強度提高是不夠的。因為降落傘的開傘動載會傳遞到航天器上，也會作用到里面的航天員。神舟飛船要求整個開傘過程，航天員承受的過載不能超過五個G。怎么能夠控制降落傘的開傘動載在一定的范圍內呢？我們采用了收口技術以及采用多級傘的方案，也就是說在航天器高空高速的時候我們先開小傘，然后作用一段時間以后再開大傘。

　　大家通過一個視頻可以看到這是一個收口和多級傘系統的演示，一開始先開一個小傘，這個小傘也是進行收口的。它在收口的過程中已經對這個飛行器在減速了，那么減速到一定的程度再張開一個大傘，再把傘整個張滿，這樣的話能夠使得降落傘的動載比較小。多級傘就是先用減速傘作用了一段時間再開主傘，主傘也是采用了收口。這是解除收口的過程。這就使整個航天器能夠在幾百米每秒的速度，最后降落到十米每秒左右的速度一個量級。

　　飛船的降落傘系統由于有航天員的存在，必須要適應各種應急返回和逃逸救生的要求，所以我們飛船降落傘采用了主份和備份兩套獨立的降落傘系統。都是由引導傘、減速傘和主傘組成，然后減速傘和主傘也都采用了剛才提到的收口技術。針對降落傘多級傘的方案，由于它工作的高度、速度不一樣，它的特點其實是不一樣的，所以我們的降落傘有多種傘型。

　　在這里就以飛船作為一個例子，給大家做一個說明。比如飛船的主傘，我們使用的是環帆傘這種傘型，環帆傘這種傘型的傘衣是比較致密的。它充滿的時候，環與環之間會有一定的重疊，它的周邊形成了一個類似于魚鱗狀的結構構型。下降的過程中，周邊的氣流會更加的紊亂。我們就要追求這種紊亂的效果，使得它的氣動阻力更大。環帆傘還有一個突出的優點，就是它不會出現連鎖破壞的情況。即使局部出現了破損，破損也不會擴散，還是能保證整體的減速效果，對航天員的安全是非常有利的。

　　飛船的減速傘使用的是錐形帶條傘傘型。帶條傘突出的優點就是結構強度高。它能夠適應高速、高動壓的開傘條件。另外大家可以看到帶條傘，它中間的縫隙比較大，我們稱為結構透氣量比較大。透氣量大就使得開傘沖擊比較小，有利于為主傘創造條件。飛船的引導傘有兩頂，一個大引導傘、一個小引導傘。這主要是為了要確保一定能夠把傘系陸續地拉開。

　　小引導傘，我們用了剛才說的帶條傘，大引導傘是用了一種叫環縫傘。環縫傘跟帶條傘很像，也是一環一環，但是它相對來說，環的寬度比較寬，環與環之間的縫隙要小一些。作為引導傘，它的特點就是充氣非常的迅速，在開傘的時候，能夠很迅速地就充上氣，然后把減速傘拉出來。主傘上面的牽頂傘我們又用了一種叫導向面傘。導向面傘的最主要的優點就是穩定性非常好。我們在風洞里做吹風試驗，可以很清晰地證明導向面傘的擺動角度是在三度以內。作為主傘的牽頂傘，對于剛才給大家提到的甩鞭的情況，它就能夠起到很好的約束效果。

　　航天器降落傘還有一個特點就是工作程序不可逆。在空中一開傘就要按照特定的程序

　　陸續地執行相應的動作。我們也可以直觀地想象，不可能在天上把傘開出去，再適時地又收回來重新再開，這是不可能的。正所謂開弓沒有回頭箭，即使像飛船這種有主份、備份，如果主份出問題轉備份的話也一樣。實際上返回艙的高度一直是在下降的，航天員的安全高度一直都在損失。所以降落傘一定要保證非常高的可靠性，我的體會是從事降落傘工作，一方面我們要通過設計保證產品的可靠性，另外一方面，嚴謹細致的工作作風、一絲不茍的過程控制也是至關重要的。

　　我剛參加工作不久，有一次參加降落傘的空投實驗。當時工作一天下來有點累，然后看到旁邊包好的降落傘，我就想過去靠著休息一會兒，我旁邊的老專家連忙把我拽住了，制止了我的行為。還給我講了一件事，當年他們做返回式衛星降落傘空投實驗的時候，有一位同事工作一天下來累了，就在一個包好的傘包上坐了一小會兒，第二天一大早，我們每次都要開班前會，當時帶隊的王希季院士，王院士是我們國家航天器返回技術的開創者，也是兩彈元勛，他當時就說頭一天晚上根本就沒睡著覺。就是因為看見這個同事在這傘包上坐了一會兒，他就一直擔心會不會影響包傘狀態。最后大家還是按照要求，把這個傘，包好的傘拆了，重新檢查，再重新包裝。

　　這個事情一直讓我記憶猶新，工作16年來，這種體會也愈加的深刻。我們從事航天器返回的研制人員，一定要以一絲不茍的工作作風來面對所有的問題，絕對不能有任何的疑點。

　　因為大家也可以想象，航天員他們是我們祖國的寶貴財富，也是華夏兒女深切的寄托。他們冒著巨大的風險進入太空，我們肩負著使他們能夠平安回家的重任，怎么能夠有絲毫的掉以輕心？

　　2003年10月16日，神舟5號飛船圓滿成功。航天員楊利偉是自主出艙的。中國首次載人飛行獲得了舉世矚目的成績。后來，楊利偉來到我們研究所，他現場要參觀這個降落傘的生產的情況，當時他就由衷地感嘆，有這樣的團隊心里面就踏實了。

　　從神舟6號開始，每一屆的航天員在飛行試驗之前都要到我們所里，來看這個降落傘的生產的現場，看這個包裝的過程，也就是要看一看伴隨他們一塊上天的這個降落傘。而我們每次交流，研制人員，真的更加深刻地體會到使命光榮，責任也重大，必須一絲不茍做好每一件工作。

　　航天器降落傘還有一個特點，在它工作的時候，就是返回式航天器已經是最后的工作階段，降落傘要經歷全部的工作歷程。這個也對我們這些研制人員提了一些新的要求。我第一次，是2003年去酒泉衛星發射場參加返回式衛星的發射。當時發射非常成功，很快進入了預定的軌道，各個系統都已經在那熱烈地祝賀，但是我們這些從事航天器返回的人員內心還一直忐忑不安。直到十多天以后返回艙再入大氣，確認降落傘正常開傘的那個瞬間，那繃著的心才放松了下來。的確是這樣，每一次返回式航天器的飛行試驗，我們這些負責返回的人只能是笑到最后，當然笑到最后也是笑得最美的。

　　中國航天發展的60年，航天器返回技術也取得了長足的發展。我國是目前世界上第三個掌握航天器返回技術的國家，事實上現在也就只有美國、俄羅斯和中國具備使航天器返回的能力。我們的航天器降落傘技術可以自豪地說，和美國、俄羅斯的先進技術相比是不遑多讓。航天器降落傘應該是我國完全自主創造的一道美麗的風景。

　　2018年，我們的航天器降落傘技術也是一個驗證的大年。我們在內蒙古根河市做了半年多的各項空投試驗。因為我們現在面臨著可重復使用衛星、火星探測器、新一代飛船等等一系列的新任務，也面臨新的挑戰。就以火星探測來舉一個例子，簡單說明一下我們面臨的挑戰。因為我國的首次火星探測會有一個環繞器，還有一個著陸巡視器。著陸巡視器利用降落傘進行氣動減速，最后安全降落到火星表面。火星降落傘就要經歷火星探測所謂的“黑色七分鐘”。黑色七分鐘就指火星探測器，以將近六公里每秒的速度，從環繞火星的軌道進入火星大氣，最后安全降落。整個過程大概是七分鐘，也是火星探測任務里面最關鍵、難度最大的工作階段。從1971年，前蘇聯的第一個火星著陸器火星2號開始，到現在一共是15個火星著陸器，這15個里面只有9個是成功，或者說是部分成功。大部分的失敗都出現在這七分鐘里。最近的一次是在2016年10月份，歐空局的夏帕瑞麗火星探測器著陸失敗了。后來分析原因，非常重要的一個因素就是在降落傘超聲速開傘情況下的顫振，使得它的著陸器的控制系統出現了故障。

　　我國的火星降落傘面臨著具體什么新的問題呢？因為火星的環境跟地球差別很大，火星大氣的密度是地球的1% 這樣一個量級，就會使降落傘面臨超聲速、低動壓、低密度的一個開傘條件。超聲速情況下，降落傘不容易充氣，氣動干擾比較嚴重，而且會有固有的高頻顫振的一些情況出現；低動壓的情況下，降落傘的穩定性是不容易保證的，就更加容易出現所說的繩帆、甩鞭，包括一些呼吸現象都會出現；低密度情況下，降落傘的減速效果是大打折扣的，所以我們的火星降落傘要采用一頂200平方米，就是一次性就要把它充滿，因為不可能采用收口了，它的減速效果太差，用收口沒什么作用。

　　我們的火星降落傘也是他山之石可以攻玉。我們充分研究分析了美國成功地采用的盤縫帶傘的傘型，在這個基礎上也進行了創新。一方面我們把傘衣的整個結構進行了一個設計優化。我們采用了鋸齒形的盤縫帶傘使整個傘衣的受力更加合理。另外我們首次在火星降落傘上把傘繩的連接方式進行了創新，以前都是用縫合的形式，類似穿針引線。縫合部位它的強度一定是弱于傘繩本體的。我們采用了插接的新方法，使它的連接部位的強度也能夠不低于傘繩本體，這樣我們火星降落傘的強度性能更加有保證。我們也進行了大量的仿真分析，完成了一系列的高空開傘試驗、強度空投實驗等等，已經掌握了火星降落傘的氣動特性，包括它的一些高頻顫振的特性，現在型號也進入了這樣的研制階段。

　　我對我們的火星降落傘是充滿了信心。現在中國正在向航天強國建設而努力，也對我們航天器返回技術、航天器降落傘技術提出了更多的要求。我們也需要不斷地開拓創新、發展，讓我們更深遠地探索宇宙，讓我們更安全地返回家園。謝謝大家的聆聽。

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責任編輯：謝長杉