CN112478203B - 一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，结构装置实现降落伞装置和飞船返回舱的连接、单点吊挂转双点吊挂及脱伞；降落伞装置提供对飞船返回舱的减速阻力；控制装置实时感受大气压力并在预定高度发送启动信号、按预定时序发送回收系列动作指令，以及感受飞船返回舱的着陆过载；火工作动装置与降落伞连接分离机构和主伞分离装置配合实现降落伞脱伞及转垂挂、打通缓冲装置充气管路等功能；缓冲装置用于对飞船返回舱着陆前的进一步缓冲，降低其着陆过载。本发明可以适应大载重可载人飞船返回再入时的动压条件，满足其对着陆速度和减速过载的要求，从而实现对大载重可载人飞船返回再入后的安全回收。

Description

一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统

技术领域

本发明涉及一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，属于航天器返回减速着陆设计领域。

背景技术

根据我国在未来空间站建设和载人深空探测等领域的发展规划，要求我国研制与现有神舟飞船相比具备有更强上行和下行运输能力的新一代载人飞船。针对上述大载重载人航天任务的要求，回收着陆系统需从总体方案、系统组成、结构布局、材料选择、接口设计、可靠性等方面进行全新的系统统筹与优化，以适应大载重载人航天任务的新特点。

我国现有的神舟飞船采用的是多级单伞接续减速的气动减速方案和着陆反推发动机反推的着陆缓冲方案，大型单伞方式的减速能力已经接近上限，不能继续满足大载重载人飞船回收的要求，需要寻求新的气动减速方式，同时也需要研制性能指标更优、更加安全可靠的着陆缓冲方式以适应大载重载人飞船的着陆缓冲要求。另外，神舟飞船的降落伞均集中布局在返回舱头部以利于弹射开伞，但这样的布局方式不利于大载重载人飞船的质心配置和整体布局设计。在可靠性设计方面，神舟飞船采用备份一整套降落伞系统的冷备份方式来进行可靠性保障，采用冷备份用于大载重载人飞船回收着陆系统的设计，会导致系统重量大大增加甚至不可实现。

因此，在新一代载人飞船任务需求的牵引下，急需研制一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出了一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，解决了大载重载人飞船的气动减速问题。

本发明的技术方案为：

一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，包括：结构装置、降落伞装置、控制装置、火工作动装置和缓冲装置；飞船返回舱呈大钝头回转体外形，自上而下依次是头罩、肩部、锥段、底部和防热大底；肩部安装面的外侧和锥段结构的侧壁的防热层下分别设置有垂挂吊索预埋槽和主伞拉出吊带预埋槽；

所述结构装置包括：降落伞连接分离机构、垂挂吊索和主伞分离装置；

所述降落伞装置用于提供对飞船返回舱的各级减速阻力；所述降落伞装置包括：减速伞组件、主伞组件和主伞拉出吊带；减速伞组件包括：减速伞包，减速伞和减速伞吊带；主伞组件包括：主伞包，主伞，主伞吊带和辅助减速伞；

控制装置包括：静压高度控制器、回收控制器、回收接口装置和着陆敏感器；

火工作动装置包括：弹射分离装置、弹伞筒、脱伞器药盒、解锁螺栓、切割器药盒和电爆阀；

降落伞连接分离机构、垂挂吊索和主伞分离装置均设置在肩部安装面附近；所述降落伞连接分离机构用于实现减速伞组件和飞船返回舱的连接、并与火工作动装置配合实现减速伞组件和飞船返回舱的分离；

所述主伞分离装置用于为主伞组件与飞船返回舱的双点连接提供支撑点，并与火工作动装置配合实现飞船返回舱着陆后主伞组件与飞船返回舱的分离；

所述包装状态的减速伞组件设置在位于飞船返回舱肩部安装面附近的弹伞筒内；减速伞吊带的一端从弹伞筒端口伸出连接至降落伞连接分离机构的减速伞接头上，在执行弹减速伞指令时，弹伞筒动作将减速伞组件弹出，减速伞吊带拉直后将减速伞从减速伞包中拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱的减速；

包装状态的主伞组件设置在位于飞船返回舱锥段底部侧壁的主伞舱内；主伞包与主伞舱盖二转三接头相连，主伞吊带预埋在返回舱锥段侧壁的主伞拉出吊带预埋槽内与降落伞连接分离机构的主伞接头相连；

所述主伞拉出吊带预埋在返回舱锥段侧壁的主伞拉出吊带预埋槽内，主伞拉出吊带一端与降落伞连接分离机构的减速伞接头相连，主伞拉出吊带的另一端与主伞舱盖二转三接头相连；在执行减速伞分离指令时，分离后的降落伞连接分离机构中的减速伞接头通过相连接的主伞拉出吊带拉动主伞舱盖二转三接头，进而拉动与之相连的包装状态的主伞组件出主伞舱，连接至主伞接头的主伞吊带拉直后将主伞从主伞包拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱的减速；

所述静压高度控制器设置在位于飞船返回舱头罩侧壁，与侧壁气压孔连通，用于实时感受大气压力并在预定高度发送启动信号；所述回收控制器、回收接口装置、着陆敏感器设置位于返回舱底部安装面附近回收控制器用于按预定时序发送回收系列动作指令；回收接口装置用于给其它控制装置供电；着陆敏感器用于感受飞船返回舱着陆过载并在预设值时发送着陆判定信号；

所述弹伞筒设置位于飞船返回舱肩部安装面附近，用于弹射减速伞组件；所述弹射分离装置设置位于返回舱头罩侧壁的降落伞连接分离机构舱盖四周，用于弹射分离降落伞连接分离机构舱盖；所述脱伞器药盒安装于降落伞连接分离机构上与其配合实现减速伞脱伞及转垂挂；所述解锁螺栓设置位于返回舱锥段侧壁底部主伞舱盖四周，用于解锁主伞舱盖；一组切割器药盒设置位于降落伞连接分离机构上作为推刀机构用于切断未弹射的减速伞吊带，另一组切割器药盒设置位于主伞分离装置上作为推刀机构实现着陆后主伞脱伞；所述电爆阀设置位于管路组件上，用于打通缓冲装置充气管路；

所述降落伞连接分离机构用于实现主伞组件和飞船返回舱的单点吊挂、并与脱伞器药盒配合实现主伞单点吊挂转双点吊挂，所述垂挂吊索用于实现主伞组件与飞船返回舱的双点连接；

缓冲装置用于降低飞船返回舱着陆过载。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明实现的最大回收重量是神舟飞船回收重量的2.3倍，回收能力得到较大提高，同时各级减速过程的载荷平缓，满足载人航天的需求；

2)本发明实现的着陆缓冲载荷降低至神舟飞船缓冲载荷的1/2，同时系统可靠性和安全性得到很大提高；

3)本发明的两级群伞减速系统中各顶同时工作的降落伞互为热备份，可保证在一顶减速伞故障情况下，一顶主伞故障情况下仍能满足减速要求，实现了系统的可靠性保证；

4)本发明在两顶减速伞发生单个未弹射的故障时，可以保证单个减速伞的正常工作且不受故障减速伞的影响，在减速伞分离前先切断故障减速伞吊带实现故障隔离，从而不会影响后续系统的正常工作；

5)本发明采用了高强非金属材料编制的柔性垂挂吊索，承载能力是神舟飞船钢丝绳缠绕的垂挂吊索的3.7倍，同时非金属柔性垂挂吊索可以进行柔性盘绕以适应安装空间的要求；

6)本发明采用的静压高度器内有两种基于不同敏感器件的高度计，分别输出开关高度信号和连续高度信号，其中开关高度信号作为备份以提高系统程序的可靠性。

附图说明

图1示出了回收着陆系统工作过程示意图；

图2示出了返回舱外部结构示意图；

图3示出了回收着陆系统产品在返回舱内的布局示意图；

图4示出了降落伞与降落伞连接分离机构安装状态下连接示意图；

图5示出了不同工况下脱故障减速伞环节示意图，(a)正常情况(两顶减速伞组件均正常弹射的)，(b)故障情况(一顶减速伞未正常弹射)；

图6示出了降落伞连接分离环节工作过程示意图，(a)减速伞开伞，(b)减速伞分离，(c)主伞开伞，(d)主伞分离；

图7示出了降落伞组成与连接示意图；

图8示出了垂挂吊索内部结构示意图；

图9示出了推刀机构图；

图10示出了推销机构图。

图中：101-底部、102-锥段、103-垂挂吊索预埋槽、104-主伞分离装置舱盖、105-头罩、106-弹伞筒盖、107-连接分离机构舱盖、108-肩部、109-主伞拉出吊带预埋槽、110-主伞舱盖、111-防热大底、112-缓冲气囊组件、113-着陆敏感器、114-垂挂吊索、115-主伞分离装置、116-弹伞筒、117-静压高度控制器、118-弹射分离装置、119-降落伞连接分离机构、120-“二转三”接头、121-主伞拉出吊带、122-回收控制器、123-回收接口装置、124-气瓶组件、125-解锁螺栓、126-主伞组件、135-主伞吊带、114-垂挂吊索、121-主伞拉出吊带、126-主伞组件、129-减速伞吊带、130-减速伞接头、135-主伞吊带、136-主伞接头、137-减速伞组件、139-切刀槽、114-垂挂吊索、121-主伞拉出吊带、126-主伞组件、128-减速伞、129-减速伞吊带、130-减速伞接头、135-主伞吊带、137-减速伞组件、114-垂挂吊索、115-主伞分离装置、121-主伞拉出吊带、126-主伞组件、128-减速伞、129-减速伞吊带、130-减速伞接头、133-主伞、135-主伞吊带、136-主伞接头、114-垂挂吊索、120-“二转三”接头、121-主伞拉出吊带、126-主伞组件、127-减速伞包、128-减速伞、129-减速伞吊带、130-减速伞接头、132-主伞包、133-主伞、134-辅助减速伞、135-主伞吊带、136-主伞接头、137-减速伞组件、138-飞船返回舱、129-减速伞吊带、139-切刀槽、140-切刀、141-切割器药盒、130-减速伞接头、136-主伞接头、139-基座、142-脱伞器药盒、143-轴销、144-缓冲套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明应用于大载重载人飞船返回再入地球时的减速和着陆过程。回收着陆系统加电启动后由回收控制器进行状态判别，并根据静压高度控制器在返回舱到达预定高度时发出的启动信号，回收控制器开始按照设计程序执行回收过程，分为减速伞减速段、主伞减速段、着陆准备段、着陆缓冲段，并最终实现返回舱安全返回地面。本发明根据大载重载人飞船返回再入时的弹道特性和工作程序，并结合返回舱产品布局、气动和质量特性，按照气动减速和过载指标要求研制的，回收着陆系统产品具有唯一性，不可替代。

本发明采用减速伞群伞(两顶减速伞同时开伞)和主伞群伞(三顶主伞同时开伞)的逐级气动减速方式，解决了大载重载人飞船的气动减速问题，同时设计了功能集成化程度更高的降落伞连接分离机构119，能够实现减速伞组件137的连接和分离、主伞组件126的连接、飞船返回舱138单点吊挂向双点吊挂的垂挂转换、以及一顶减速伞128未弹射故障情况下的故障隔离。

采用沿返回舱底部101布置的六个缓冲气囊组件112压缩缓冲的方式，解决了大载重载人飞船的着陆缓冲问题，气囊利用高压气瓶组件124和压缩气体进行充气，相比较于神舟飞船的着陆反推发动机采用的放射源敏感高度和固体药柱点燃反推的缓冲方式，本发明提高了系统的可靠性和安全性，也更加方便实施对产品的操作和测试。

采用将主伞组件126安装在返回舱锥段102侧壁靠近底部的位置附近，有利于飞船返回舱138的质心配置和整体布局，通过防热层下预埋槽安装主伞拉出吊带121和主伞吊带135，解决了降落伞在跨度安装布局情况下的顺利开伞问题。

组成第一级群伞的两具减速伞组件137互为热备份，并可保证在一顶减速伞128故障情况下仍能满足减速要求，组成第二级群伞的三具主伞组件126互为热备份，并可保证一顶主伞133故障情况下仍能满足减速要求，实现了系统的可靠性保证。

本发明的具体方案为：

飞船返回舱返回再入时，根据预先设计的回收着陆程序来驱动火工作动装置执行回收动作，从而实现返回舱减速着陆。回收着陆程序是根据飞船返回舱返回再入的上、下偏差弹道设计，并遵循以下设计原则：

1.开伞时序的设计应尽量确保降落伞对返回舱的各级开伞载荷均匀，并兼顾降落伞的结构承载均匀；

2.工作时序的设计应能够适应返回舱返回时的正常工况和极端工况(下偏差弹道、一顶减速伞一顶主伞故障)，并确保回收各空中动作环节能够执行完毕；

3.工作时序的设计应能够适应各初始弹道参数的偏差，回收弹道打靶的计算结果(统计3σ范围内)应能确保回收各空中动作环节执行完毕；

4.回收各动作环节的时序设计应留有一定余量并适当提前，以适应未预计偏差。

对于新一代载人飞船返回时，当返回舱到达8km预定高度后，回收控制器设置时间零点T0，之后按照设计时序依次发送弹降落伞连接分离机构舱盖、弹减速伞、分离故障减速伞、主伞舱盖解锁、减速伞分离、抛防热大底、返回舱垂挂转换等控制指令，并驱动相应火工作动装置执行回收动作；当返回舱到达2km预定高度后，回收控制器设置时间零点T1，之后按照设计时序依次发送气囊充气、着陆敏感器加电等控制指令，并驱动相应火工作动装置执行回收动作；当返回舱着陆时，回收控制器设置时间零点T2，之后发送着陆脱主伞控制指令，并驱动相应火工作动装置执行回收动作。

飞船返回舱的回收着陆过程主要分为减速伞减速段段，主伞减速段，着陆准备段，着陆缓冲段共四个阶段，每个阶段回收着陆系统的具体工作过程如下，工作过程示意图如图1所示。

(一)减速伞减速段

1.通过静压高度装置首先判断返回舱飞行高度是否达到10km，达到10km后启动延时，再判断返回舱飞行高度是否达到8km，达到8km后或延时达到预设值时，回收控制器设置时间零点T0，并发出信号同时起爆降落伞连接分离机构舱盖连接点附近的共八个弹射器，将降落伞连接分离机构舱盖弹出；

2.T0+t1时，同时起爆两个减速伞弹伞筒，分别弹射两顶减速伞，成功弹射的减速伞带动其吊带从各自降落伞连接分离机构的切刀槽中拉出，减速伞拉直充气，以一级收口状态工作；

3.T0+t2时，减速伞解除一级收口，以二级收口状态工作；

4.T0+t3时，减速伞解除二级收口，以全充满状态工作；

5.T0+t4时，同时起爆两个安装在降落伞连接分离机构上的切割器药盒，切刀动作，正常情况下两顶减速伞成功弹出，切刀空切，若发生故障有一顶减速伞未弹出，则将其吊带切断，实现故障隔离；

(二)主伞减速段

6.T0+t5时，同时起爆连接主伞舱盖的六个解锁螺栓，实现主伞舱盖与返回舱解锁；

7.T0+t6时，起爆安装在降落伞连接分离机构上的一个脱伞器药盒，减速伞与返回舱分离，从返回舱侧壁的防热层预埋槽中拉出主伞拉出吊带，继而将主伞舱盖和三个主伞包一起拉出；

8.T0+t7时，连接主伞的三根主伞吊带另一端与上部的降落连接分离机构的主伞接头连接，主伞吊带从埋槽中拉出并拉直后，三顶辅助减速伞首先从三个主伞包中拉出，充气展开并对返回舱实施减速，之后三顶主伞从各自的伞包中同时拉出，减速伞带着主伞包与主伞分离，三顶主伞拉直；

9.T0+t8时，主伞开始充气，以一级收口状态工作；

10.T0+t9时，主伞解除一级收口，以二级收口状态工作；

11.T0+t10时，主伞解除二级收口，以全充满状态工作；

(三)着陆准备段

12.T0+t11时，抛防热大底指令发出后，防热大底与返回舱分离，暴露出了安装在返回舱底部的缓冲气囊；

13.T0+t12时，起爆安装在降落伞连接分离机构上的另一个脱伞器药盒，主伞接头分离，拉动两根垂挂吊索拉脱防热层从各自预埋槽中拉出，使返回舱吊挂至返回舱肩部两侧的主伞分离装置的摆臂上，实现由单点吊挂转换为双点吊挂；

14.通过静压高度装置判断返回舱飞行高度是否达到2km，达到2km后回收控制器设置时间零点T1，并发出信号起爆电爆阀打通充气管路，高压气瓶开始同时给六个着陆缓冲气囊充气，充气完成后，在T1+t13时给着陆敏感器加电；

(四)着陆缓冲段

15.返回舱着陆地面，着陆缓冲气囊工作对返回舱进行缓冲；

16.着陆敏感器感受着陆过载到达预定值后发出着陆状态信号，回收控制器设置时间零点T2，在T2+t14时同时起爆安装在两个主伞分离装置摆臂上切割器药盒，驱动切刀切断垂挂吊索，实现主伞与返回舱分离。

本发明的设计思路为：

本发明根据大载重可载人飞船返回再入后的减速着陆需求，结合大型降落伞的研究基础，提出了采用大型群伞的方案以解决大载重飞船返回的减速问题，由于采用两顶减速伞和三顶主伞的逐级群伞的减速模式，系统复杂程度的提高带来了故障模式的增多，最终确定了一顶减速伞故障、一具主伞故障情况下仍能够满足减速指标要求的设计原则。由于设计的大型群伞的质量和安装体积较大型单伞至少会增加三倍以上，结合整船结构布局和质量气动方面的要求，综合设计后将主伞组件布置在返回舱大底附近以降低重心，通过吊带在返回舱侧壁预埋的设计解决跨度布局降落伞的开伞问题，使整船布局得到了优化。根据返回舱肩部的结构形式和大载重的特点，设计了采用高强非金属材料编制而成的柔性垂挂吊索，以满足高承载、易弯折的性能需求；在综合考虑性能指标，可靠性、安全性、操作性等方面的因素后，确定了采用大型气囊作为返回舱的着陆缓冲方式。为了确保系统启动环节的可靠性，设计采用两种基于不同敏感器件的的静压高度装置，其中一套装置作为备份。

本发明一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，采用群伞气动减速和气囊着陆缓冲的总体技术方案，产品包括：结构装置、降落伞装置、控制装置、火工作动装置和缓冲装置；实现载人飞船返回舱138返回再入后的气动减速和着陆缓冲，确保航天员安全返回地面。回收着陆系统产品安装布局在大载重可载人飞船的飞船返回舱138内。飞船返回舱138呈大钝头回转体外形，自上而下依次是头罩105、肩部108、锥段102、底部101和防热大底111；肩部108安装面的外侧和锥段102结构的侧壁的防热层下分别设置有垂挂吊索预埋槽103和主伞拉出吊带预埋槽109，如图2所示。结构装置用于实现降落伞装置和飞船返回舱138的连接、单点吊挂转双点吊挂及脱伞；降落伞装置用于提供对飞船返回舱138的减速阻力；控制装置用于实时感受大气压力并在预定高度发送启动信号、按预定时序发送回收系列动作指令，以及感受飞船返回舱138的着陆过载；火工作动装置与降落伞连接分离机构119和主伞分离装置115配合实现降落伞脱伞及转垂挂、打通缓冲装置充气管路等功能；缓冲装置用于对飞船返回舱138着陆前的进一步缓冲，降低其着陆过载。

所述结构装置包括：降落伞连接分离机构119、垂挂吊索114和主伞分离装置115；

所述降落伞装置用于提供对飞船返回舱138的各级减速阻力；所述降落伞装置包括：减速伞组件137、主伞组件126和主伞拉出吊带121；减速伞组件137包括：减速伞包127，减速伞128和减速伞吊带129，如图7所示。主伞组件126包括：主伞包132，主伞133，主伞吊带135和辅助减速伞134，如图7所示。

控制装置包括：静压高度控制器117、回收控制器122、回收接口装置123和着陆敏感器113；

火工作动装置包括：弹射分离装置118、弹伞筒116、脱伞器药盒142、解锁螺栓125、切割器药盒141和电爆阀；

降落伞连接分离机构119、垂挂吊索114和主伞分离装置115均设置在飞船返回舱肩部108安装面附近，如图3所示。所述降落伞连接分离机构119用于实现减速伞组件137和飞船返回舱138的连接、并与火工作动装置的脱伞器药盒142配合实现减速伞组件137和飞船返回舱138的分离；

所述主伞分离装置115用于为主伞组件126与飞船返回舱138的双点连接提供支撑点，并与火工作动装置的切割器药盒141配合实现飞船返回舱138着陆后主伞组件126与飞船返回舱138的分离；

所述包装状态的减速伞组件137设置在位于飞船返回舱肩部108安装面附近的弹伞筒116内，如图3所示。减速伞吊带129的一端从弹伞筒116端口伸出连接至降落伞连接分离机构119的减速伞接头130上，在执行弹减速伞指令时，弹伞筒116动作将减速伞组件137弹出，减速伞吊带129拉直后将减速伞128从减速伞包127中拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱138的减速；

包装状态的主伞组件126设置在位于飞船返回舱锥段102底部侧壁的主伞舱内，如图3所示。主伞包132与主伞舱盖二转三接头120相连，主伞吊带135预埋在返回舱锥段102侧壁的主伞拉出吊带预埋槽109内与降落伞连接分离机构119的主伞接头136相连；

所述主伞拉出吊带121预埋在返回舱锥段102侧壁的主伞拉出吊带预埋槽109内，主伞拉出吊带121一端与降落伞连接分离机构119的减速伞接头130相连，主伞拉出吊带121的另一端与主伞舱盖二转三接头120相连；在执行减速伞分离指令时，分离后的降落伞连接分离机构119中的减速伞接头130通过相连接的主伞拉出吊带121拉动主伞舱盖二转三接头120，进而拉动与之相连的包装状态的主伞组件126出主伞舱，连接至主伞接头136的主伞吊带135拉直后将主伞133从主伞包132拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱138的减速；

所述静压高度控制器117设置在位于飞船返回舱头罩105侧壁，如图3所示，与侧壁气压孔连通，用于实时感受大气压力并在预定高度发送启动信号；所述回收控制器122、回收接口装置123、着陆敏感器113设置位于返回舱底部101安装面附近，如图3所示。回收控制器122用于按预定时序发送回收系列动作指令；回收接口装置123用于给其它控制装置供电；着陆敏感器113用于感受飞船返回舱138着陆过载并在预设值时发送着陆判定信号；

火工作动装置所述弹伞筒116设置位于飞船返回舱肩部108安装面附近，用于弹射减速伞组件137；所述弹射分离装置118设置位于返回舱头罩105侧壁的降落伞连接分离机构舱盖107四周，用于弹射分离降落伞连接分离机构舱盖107；所述脱伞器药盒142安装于降落伞连接分离机构119上与其配合实现减速伞脱伞及转垂挂；所述解锁螺栓125设置位于返回舱锥段102侧壁底部主伞舱盖110四周，用于解锁主伞舱盖110；一组切割器药盒141设置位于降落伞连接分离机构119上和切刀140组成推刀机构用于切断未弹射的减速伞吊带129，另一组切割器药盒141设置位于主伞分离装置115上和切刀140组成推刀机构实现着陆后主伞133脱伞；所述电爆阀设置位于管路组件上，用于打通缓冲装置充气管路；

所述降落伞连接分离机构119用于实现主伞组件126和飞船返回舱138的单点吊挂、并与脱伞器药盒142配合实现主伞单点吊挂转双点吊挂，所述垂挂吊索114用于实现主伞组件126与飞船返回舱138的双点连接；

缓冲装置用于降低飞船返回舱138着陆过载。

降落伞连接分离机构119包括：切刀槽139、切刀140、减速伞接头130、主伞接头136、轴销143和基座；

切刀140安装在切刀槽139中、减速伞接头130和主伞接头136分别通过轴销143与基座相连，如图10所示。

垂挂吊索114为非金属材料柔性编制结构，如图8所示。

主伞分离装置115包括：摆臂结构和切刀140；切刀140安装在摆臂结构中。

缓冲装置包括：缓冲气囊组件112、气瓶组件124和管路组件；所述缓冲气囊组件112设置位于返回舱底部101安装面下侧与防热大底111之间，所述气瓶组件124和管路组件设置位于返回舱底部101安装面上。串联有电爆阀的管路组件一端连接气瓶组件124，另一端穿过返回舱底部101安装面与气囊组件17相连，在执行完抛防热大底指令后，返回舱底部防热大底111与飞船返回舱138分离，暴露出折叠包装状态的缓冲气囊组件112；在执行气囊充气指令时，电爆阀动作打通充气管路组件，实现气瓶组件124对缓冲气囊组件112的充气。

减速伞吊带129一端连接减速伞伞绳集束处，减速伞吊带129另一端通过降落伞连接分离机构119的切刀槽139后连接至减速伞接头130上，减速伞接头130通过轴销143连接至降落伞连接分离机构119的基座上；减速伞开伞后产生的气动载荷通过拉直后的减速伞吊带129从切刀槽139中脱出传递到连接分离机构119的减速伞接头130和基座上，如图6(a)所示，轴销143与脱伞器药盒142组成推销机构，如图10所示，当执行脱减速伞指令时，脱伞器药盒142被点火器引爆产生燃气推动轴销143，使减速伞接头130和基座分离，如图6(b)所示，从而实现减速伞和飞船返回舱138的分离。

主伞吊带135一端连接主伞133伞绳集束处，另一端连接至主伞接头136上，主伞接头136通过轴销143连接至降落伞连接分离机构119的基座上；主伞133开伞后产生的气动载荷，将主伞吊带135从返回舱锥段102侧壁的主伞拉出吊带预埋槽109中拉出，并传递到连接分离机构119的主伞接头136和基座上，如图6(c)所示，轴销143与脱伞器药盒142组成推销机构，如图10所示，当执行垂挂转换指令时，脱伞器药盒142被点火器引爆产生燃气推动轴销143，使主伞接头136和基座分离，如图6(d)所示，沿着返回舱肩部108垂挂吊索预埋槽103中布置的两根垂挂吊索114的一端连接主伞接头136，另一端分别连接至两个主伞分离装置115的摆臂上，从而实现主伞133和飞船返回舱138的单点吊挂转双点吊挂。

对于垂挂转换后的飞船返回舱138，主伞组件连接至分离的主伞接头136上，主伞接头136通过两支垂挂吊索114分别连接至主伞分离装置115各自的摆臂上，切刀140与切割器药盒141组成推刀机构，如图9所示，当执行脱主伞指令时，切割器药盒141被点火器引爆产生燃气推动切刀140切断垂挂吊索114与摆臂的连接，使主伞133与着陆后的飞船返回舱138分离。

减速伞128与减速伞吊带129一端相连，折叠包装至减速伞包127内，减速伞吊带129另一端由减速伞包127封包处伸出，减速伞吊带129拉直后将减速伞128从减速伞包127中拉出工作，并与减速伞包127分离。

主伞133与主伞吊带135一端相连，和辅助减速伞134一起折叠包装在主伞包132内，主伞吊带135另一端由主伞包132封包处伸出，主伞包132被拉动后辅助减速伞134首先从主伞包132中拉出工作，之后主伞吊带135拉直后将主伞133从主伞包132中拉出工作，并与主伞包132分离。

所述降落伞装置采用减速伞、主伞两级减速方案，如图7所示，其中减速伞组件137采用两顶减速伞128的群伞减速方案、并可保证在一顶减速伞128故障情况下仍能满足减速要求。主伞组件126采用三顶主伞133的群伞减速方案、并可保证一顶主伞133故障情况下仍能满足减速要求。

所述两具减速伞组件137的减速伞吊带129分别穿过降落伞连接分离机构119的两侧的切刀槽139后连接至主伞接头136上，如图4所示，可以实现在一个弹伞筒116未动作的故障情况下分离未弹射的减速伞组件137的功能，实现故障隔离以确保其不对后续回收着陆系统的工作造成影响，具体过程为：在两个弹伞筒116均动作的正常情况下，两具减速伞组件137从各自弹伞筒116中弹出，减速伞吊带129受力后从连接分离机构119两侧的各自穿过的切刀槽139中脱出，后续执行脱故障减速伞指令时切刀槽139内切刀140空切，如图5(a)所示；在一个弹伞筒116未动作的故障情况下，一顶减速伞未从弹伞筒116内弹出，所以其减速伞吊带129不受力仍安装在其穿过的连接分离机构119的切刀槽139中，后续执行脱故障减速伞指令时切刀140动作将其切断，使其与减速伞接头130的连接断开，实现故障隔离，如图5(b)所示。

主伞组件126包括三顶辅助减速伞134，分别折叠包装在三具主伞包132内，在主伞吊带135拉直的过程中首先被拉出并开伞，形成的气动阻力用于减小主伞133拉直充气过程中飞船返回舱138的速度增量。

主伞拉出吊带121为两根，互为备份，预埋在返回舱锥段102侧壁防热层下的主伞拉出吊带预埋槽109内，如图2所示，在减速伞128分离时受到分离的减速伞拉力拉脱防热层并从预埋槽中从连接分离机构119处向主伞舱盖110处自上而下拉起，继而拉动主伞舱盖110和主伞包132，实现在减速伞128分离时继续利用其气动载荷拉动主伞组件126出舱进行开伞的功能。

主伞组件126的主伞吊带135为三根，安装在返回舱锥段102侧壁防热层下的主伞拉出吊带预埋槽109内，如图2所示，在主伞包132出舱后从预埋槽中从主伞舱盖110处向连接分离机构119处自下而上拉起，使主伞133吊点仍连接在降落伞连接分离机构119上。

所述垂挂吊索114为两根，安装在返回舱肩部108安装面侧壁防热层下的垂挂吊索预埋槽103内，如图2所示，在飞船返回舱138垂挂转换时受到分离的主伞133拉力拉脱防热层并从预埋槽中分别从连接分离机构119处向左、右的主伞分离装置115处拉起，最终使飞船返回舱138由左、右两个主伞分离装置115吊挂，完成了垂挂转换。

在所述静压高度控制器117可以输出三路高度连续信号和三路高度开关信号，通过“三取二”表决处理防止无法输出信号和误发信号。

所述回收控制器122和回收接口装置123根据接收静压高度控制器117发出的启动信号来启动回收工作程序，并按照预定的时序发出回收控制指令驱动相应火工作动装置工作。

所述着陆敏感器113为三台，在返回舱底部101安装板上方沿周向均匀布置，如图3所示，通过感受飞船返回舱138着陆的过载值发送着陆状态信号，用于系统判断着陆状态和执行脱主伞指令，为了保证安全性在系统程序设计时，着陆敏感器113加电环节设置在飞船返回舱138垂挂转换动作之后系统载荷环境比较稳定时。

所述缓冲气囊组件112包括六个缓冲气囊，沿着飞船返回舱138大底周向均匀布置，如图所示，着陆时通过气囊压缩来降低飞船返回舱138受到的着陆过载。

本发明的设计实例为：

本发明已应用于新一代载人飞船试验船回收着陆功能的系统产品配套中。飞船总体给回收着陆功能提出的技术要求为：正常返回情况下返回舱稳降速度不大于8m/s，着陆冲击过载不大于11。本发明研制的回收着陆系统产品，减速伞组件和结构装置安装在返回舱肩部，主伞组件安装在返回舱靠近底部的侧壁，控制装置和着陆缓冲气囊安装在返回舱大底附近。在飞船返回再入后，回收着陆系统启动以判断返回舱所处的飞行高度，达到预定高度后返回舱先后经过减速伞群伞减速，主伞群伞减速，抛防热大底、垂挂转换和气囊充气，最终着陆缓冲后返回地面。正式飞行试验测量数据表明，返回舱最终减速至7m/s以下，着陆时受到的过载峰值是6.1，均满足总体技术指标要求。

本发明的试验实例为：

本发明经过了系统空投试验的验证，采用重型直升机携带返回舱飞行至预定高度投放来验证回收着陆系统功能和性能。试验中，返回舱模型重7.2t，空中投放后经降落伞系统最终减速至7.7m/s，返回舱着陆缓冲过载峰值为9.2，着陆后返回舱模型呈竖直状态，模型完好回收，试验取得圆满成功。

本发明经过了搭载CZ-5B运载火箭发射的新一代载人飞船试验船正式飞行试验的验证，飞船完成在轨飞行任务后返回再入地球大气。返回舱重5.6t，空中经降落伞系统最终减速至7m/s以下，着陆时经气囊缓冲返回舱受到的过载峰值是6.1，着陆后返回舱呈竖直状态，舱体完好回收，试验取得圆满成功。

经过空投试验和正式飞行试验的考核，本发明涉及的回收着陆系统将回收重量最大提高至7.2t，是神舟飞船回收重量的2.3倍；减速最终速度与神舟飞船相近，均在至7m/s至8m/s之间；着陆缓冲过载降低到了神舟飞船所受过载的1/2；本发明中群伞系统的热备份方式比较于神舟飞船单伞系统的冷备份方式，在系统可靠性和使用效率方面均得到了改善和提高。

Claims (10)

1.一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，包括：结构装置、降落伞装置、控制装置、火工作动装置和缓冲装置；飞船返回舱(138)呈大钝头回转体外形，自上而下依次是头罩(105)、肩部(108)、锥段(102)、底部(101)和防热大底(111)；肩部(108)安装面的外侧和锥段(102)结构的侧壁的防热层下分别设置有垂挂吊索预埋槽(103)和主伞拉出吊带预埋槽(109)；

所述结构装置包括：降落伞连接分离机构(119)、垂挂吊索(114)和主伞分离装置(115)；

所述降落伞装置用于提供对飞船返回舱(138)的各级减速阻力；所述降落伞装置包括：减速伞组件(137)、主伞组件(126)和主伞拉出吊带(121)；减速伞组件(137)包括：减速伞包(127)，减速伞(128)和减速伞吊带(129)；主伞组件(126)包括：主伞包(132)，主伞(133)，主伞吊带(135)和辅助减速伞(134)；

控制装置包括：静压高度控制器(117)、回收控制器(122)、回收接口装置(123)和着陆敏感器(113)；

火工作动装置包括：弹射分离装置(118)、弹伞筒(116)、脱伞器药盒(142)、解锁螺栓(125)、切割器药盒(141)和电爆阀；

降落伞连接分离机构(119)、垂挂吊索(114)和主伞分离装置(115)均设置在肩部(108)安装面附近；所述降落伞连接分离机构(119)用于实现减速伞组件(137)和飞船返回舱(138)的连接、并与火工作动装置配合实现减速伞组件(137)和飞船返回舱(138)的分离；

所述主伞分离装置(115)用于为主伞组件(126)与飞船返回舱(138)的双点连接提供支撑点，并与火工作动装置配合实现飞船返回舱(138)着陆后主伞组件(126)与飞船返回舱(138)的分离；

包装状态的减速伞组件(137)设置在位于飞船返回舱肩部(108)安装面附近的弹伞筒(116)内；减速伞吊带(129)的一端从弹伞筒(116)端口伸出连接至降落伞连接分离机构(119)的减速伞接头(130)上，在执行弹减速伞指令时，弹伞筒(116)动作将减速伞组件(137)弹出，减速伞吊带(129)拉直后将减速伞(128)从减速伞包(127)中拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱(138)的减速；

包装状态的主伞组件(126)设置在位于飞船返回舱锥段(102)底部侧壁的主伞舱内；主伞包(132)与主伞舱盖二转三接头(120)相连，主伞吊带(135)预埋在返回舱锥段(102)侧壁的主伞拉出吊带预埋槽(109)内与降落伞连接分离机构(119)的主伞接头(136)相连；

所述主伞拉出吊带(121)预埋在返回舱锥段(102)侧壁的主伞拉出吊带预埋槽(109)内，主伞拉出吊带(121)一端与降落伞连接分离机构(119)的减速伞接头(130)相连，主伞拉出吊带(121)的另一端与主伞舱盖二转三接头(120)相连；在执行减速伞分离指令时，分离后的降落伞连接分离机构(119)中的减速伞接头(130)通过相连接的主伞拉出吊带(121)拉动主伞舱盖二转三接头(120)，进而拉动与之相连的包装状态的主伞组件(126)出主伞舱，连接至主伞接头(136)的主伞吊带(135)拉直后将主伞(133)从主伞包(132)拉出并充气开伞，形成气动阻力实现对飞船返回舱(138)的减速；

所述静压高度控制器(117)设置在位于飞船返回舱头罩(105)侧壁，与侧壁气压孔连通，用于实时感受大气压力并在预定高度发送启动信号；所述回收控制器(122)、回收接口装置(123)、着陆敏感器(113)设置位于返回舱底部(101)安装面附近回收控制器(122)用于按预定时序发送回收系列动作指令；回收接口装置(123)用于给其它控制装置供电；着陆敏感器(113)用于感受飞船返回舱(138)着陆过载并在预设值时发送着陆判定信号；

所述弹伞筒(116)设置位于飞船返回舱肩部(108)安装面附近，用于弹射减速伞组件(137)；所述弹射分离装置(118)设置位于返回舱头罩(105)侧壁的降落伞连接分离机构舱盖(107)四周，用于弹射分离降落伞连接分离机构舱盖(107)；所述脱伞器药盒(142)安装于降落伞连接分离机构(119)上与其配合实现减速伞脱伞及转垂挂；所述解锁螺栓(125)设置位于返回舱锥段(102)侧壁底部主伞舱盖(110)四周，用于解锁主伞舱盖(110)；一组切割器药盒(141)设置位于降落伞连接分离机构(119)上作为推刀机构用于切断未弹射的减速伞吊带(129)，另一组切割器药盒(141)设置位于主伞分离装置(115)上作为推刀机构实现着陆后主伞(133)脱伞；所述电爆阀设置位于管路组件上，用于打通缓冲装置充气管路；

所述降落伞连接分离机构(119)用于实现主伞组件(126)和飞船返回舱(138)的单点吊挂、并与脱伞器药盒(142)配合实现主伞单点吊挂转双点吊挂，所述垂挂吊索(114)用于实现主伞组件(126)与飞船返回舱(138)的双点连接；

缓冲装置用于降低飞船返回舱(138)着陆过载。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，降落伞连接分离机构(119)包括：切刀槽(139)、切刀(140)、减速伞接头(130)、主伞接头(136)、轴销(143)和基座；

切刀(140)安装在切刀槽(139)中、减速伞接头(130)和主伞接头(136)分别通过轴销(143)与基座相连。

3.根据权利要求2所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，垂挂吊索(114)为非金属材料柔性编制结构。

4.根据权利要求3所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，主伞分离装置(115)包括：摆臂结构和切刀(140)；切刀(140)安装在摆臂结构中。

5.根据权利要求1～4任意之一所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，缓冲装置包括：缓冲气囊组件(112)、气瓶组件(124)和管路组件；所述缓冲气囊组件(112)设置位于返回舱底部(101)安装面下侧与防热大底(111)之间，所述气瓶组件(124)和管路组件设置位于返回舱底部(101)安装面上；串联有电爆阀的管路组件一端连接气瓶组件(124)，另一端穿过返回舱底部(101)安装面与气囊组件(17)相连，在执行完抛防热大底指令后，返回舱底部防热大底(111)与飞船返回舱(138)分离，暴露出折叠包装状态的缓冲气囊组件(112)；在执行气囊充气指令时，电爆阀动作打通充气管路组件，实现气瓶组件(124)对缓冲气囊组件(112)的充气。

6.根据权利要求2～4任意之一所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，减速伞吊带(129)一端连接减速伞伞绳集束处，减速伞吊带(129)另一端通过降落伞连接分离机构(119)的切刀槽(139)后连接至减速伞接头(130)上，减速伞接头(130)通过轴销(143)连接至降落伞连接分离机构(119)的基座上；减速伞开伞后产生的气动载荷通过拉直后的减速伞吊带(129)传递到连接分离机构(119)的减速伞接头(130)和基座上，轴销(143)与脱伞器药盒(142)组成推销机构，当执行脱减速伞指令时，脱伞器药盒(142)被点火器引爆产生燃气推动轴销(143)，使减速伞接头(130)和基座分离，从而实现减速伞和飞船返回舱(138)的分离。

7.根据权利要求6所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，主伞吊带(135)一端连接主伞(133)伞绳集束处，另一端连接至主伞接头(136)上，主伞接头(136)通过轴销(143)连接至降落伞连接分离机构(119)的基座上；主伞(133)开伞后产生的气动载荷，将主伞吊带(135)从返回舱锥段(102)侧壁的主伞拉出吊带预埋槽(109)中拉出，并传递到连接分离机构(119)的主伞接头(136)和基座上，轴销(143)与脱伞器药盒(142)组成推销机构，当执行垂挂转换指令时，脱伞器药盒(142)被点火器引爆产生燃气推动轴销(143)，使主伞接头(136)和基座分离，沿着返回舱肩部(108)垂挂吊索预埋槽(103)中布置的两根垂挂吊索(114)的一端连接主伞接头(136)，另一端分别连接至两个主伞分离装置(115)的摆臂上，从而实现主伞(133)和飞船返回舱(138)的单点吊挂转双点吊挂。

8.根据权利要求7所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，对于垂挂转换后的飞船返回舱(138)，主伞组件连接至分离的主伞接头(136)上，主伞接头(136)通过两支垂挂吊索(114)分别连接至主伞分离装置(115)各自的摆臂上，切刀(140)与切割器药盒(141)组成推刀机构，当执行脱主伞指令时，切割器药盒(141)被点火器引爆产生燃气推动切刀(140)切断垂挂吊索(114)与摆臂的连接，使主伞(133)与着陆后的飞船返回舱(138)分离。

9.根据权利要求7所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，减速伞(128)与减速伞吊带(129)一端相连，折叠包装至减速伞包(127)内，减速伞吊带(129)另一端由减速伞包(127)封包处伸出，减速伞吊带(129)拉直后将减速伞(128)从减速伞包(127)中拉出工作，并与减速伞包(127)分离。

10.根据权利要求9所述的一种适用于大载重可载人飞船的回收着陆系统，其特征在于，主伞(133)与主伞吊带(135)一端相连，和辅助减速伞(134)一起折叠包装在主伞包(132)内，主伞吊带(135)另一端由主伞包(132)封包处伸出，主伞包(132)被拉动后辅助减速伞(134)首先从主伞包(132)中拉出工作，之后主伞吊带(135)拉直后将主伞(133)从主伞包(132)中拉出工作，并与主伞包(132)分离。

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