可重复使用运载火箭星际荣耀开展一系列着陆装置地面试验

　　来源星际荣耀
　　2021年，星际荣耀计划进行双曲线二号可重复使用运载火箭一子级米级、公里级、百公里级垂直起降试验，并于后续完成双曲线二号遥一首次入轨发射任务。
　　在双曲线二号的整个垂直起飞/垂直降落（推荐阅读：什么是＂VTVL＂ | 航天行话指南） 过程中，着陆阶段是＂千难万险＂中最后的一道考验，必须使用高可靠性的着陆装置来减缓着陆瞬间箭体受到的冲击，从而保证箭体着陆的稳定性与可靠性，实现可重复使用。
　　要满足双曲线二号一子级回收并重复使用的要求，就需要精准计算着陆机构的尺寸、重量、包络范围等指标，综合考虑着陆装置对火箭运载结构、气动布局的影响，缓冲装置要在保证重量轻的基础上，在有限的行程内起到良好的缓冲效果，锁定机构要能够承受较大冲击后不失效。
　　着陆装置示意图
　　总而言之，在着陆装置的设计制造中， ＂空间有限＂与＂功能可靠＂的尖锐矛盾，是核心技术难点所在。
　　思路先行，化解矛盾
　　目前，国际上已经实现着陆支撑并且技术比较成熟的有美国SpaceX公司＂猎鹰-9＂和蓝色起源公司的＂新谢泼德＂等火箭。其中，SpaceX公司＂猎鹰-9＂火箭采用的是三角支撑可展折机构，这种结构展开后支撑范围较大，着陆过程相对稳定，能够减轻控制压力，并已经在＂猎鹰-9＂火箭的发射任务中进行了充分验证，成为了典型的成功案例。
　　蓝色起源公司的＂新格伦＂火箭和＂新谢泼德＂火箭则分别采用了转动侧摆式折展机构和双转动侧摆式折展机构，外观类似于平行四边形。前者对结构强度要求较高，容易导致支撑腿笨重，后者则对直线式锁紧机构强度要求较高，多次重复使用情况下容易使支撑强度减弱。
　　为满足双曲线二号一子级回收并重复使用的要求，星际荣耀最终选择了三角支撑可展折机构作为着陆装置的设计发展方向，为进一步攻克＂轻量化与可靠性兼顾＂的两难问题，星际荣耀技术团队需要度过三道难关：
　　（1） ＂又轻又强＂
　　——轻量化大承载折叠展开机构及锁定技术：
　　着陆缓冲机构采用伸缩支腿式机构，上升及返回过程中既要维持良好的气动外形，又要具有承受反侵热流的热防护能力，着陆过程中可靠展开并锁定形成稳固结构，为箭体着陆过程提供有力支撑。
　　（2） ＂随机应变＂
　　——可重复使用的高效着陆缓冲装置设计：
　　着陆缓冲装置采用油气缓冲器，具有较好的强度和高效的缓冲功能以及对不同倾斜姿态、不同残余速度等复杂工况的适应能力。
　　（3） ＂精准模拟＂
　　——着陆缓冲及稳定性仿真技术：
　　常规设计经验及仿真或依赖试验的设计思路无法充分满足目前的研发需求，必须进行全流程、全工况，复杂环境下的精确仿真攻关。
　　着陆装置折叠状态示意图
　　星际荣耀层层闯关，利用大折展比、变胞机构拓扑结构变换、高可靠锁解特性的三角支撑可展折机构设计，能够显著提高着陆装置的承载能力和着陆后的稳定性，从而开拓出了一条化解＂空间有限＂与＂功能可靠＂矛盾的设计思路。
　　揭秘细节，全面优化
　　以上述设计思路为指导，双曲线二号火箭的设计着陆过程如下：
　　着陆前，着陆装置展开并与箭体形成稳定的三角形构型，着陆装置的承力件（支撑杆、保形支撑）提供箭体垂直着陆所需的强度和刚度，着陆装置的吸能件（推荐阅读：可重复使用运载火箭|星际荣耀顺利完成着陆装置缓冲器的性能和环境试验） 用于吸收箭体着陆时的冲击能量，从而确保火箭完好无损地回收竖立于着陆场。
　　着陆装置承力件产品
　　目前星际荣耀已经顺利完成了双曲线二号着陆装置吸能件的性能试验、振动试验和高低温试验，产品满足性能要求和力热环境条件，具备飞行产品交付条件。
　　着陆装置缓冲器产品
　　为了实现＂落得稳，站得住＂的目标，星际荣耀还将通过一系列地面试验，验证着陆装置的性能：
　　（1）着陆装置静力试验：
　　着陆装置在着陆时的整体受力情况较为复杂，而且复合材料的承力结构对成型工艺、生产经验的依赖性较大，仅靠计算可信度较低，静力试验能够帮助我们获取着陆装置展开后的承载能力和变形情况，对实际的着陆回收情况进行模拟，从而验证数学模型的准确性，为真实的发射任务做好数据和经验上的准备。
　　着陆装置静力试验示意图
　　（2）着陆装置展开试验：
　　着陆装置在火箭上升段飞行过程中处于折叠锁定状态，在返回段临近地面时解锁、展开并再次锁定。地面模拟展开试验可以验证着陆装置「锁定-解锁-展开-锁定」过程的可靠性以及展开过程中的抗冲击能力。
　　着陆装置展开试验示意图
　　试验开始前，将箭体竖立状态固定在工装上，试验开始后，单个着陆腿重复打开，采用加载、配重等模拟展开过程中的阻力。试验过程中测量展开锁定瞬间的着陆装置机构应变水平。地面模拟试验现场配有高清高速摄像装置，可进行后续展开过程的各项指标测量，与设计动力学仿真比对分析。
　　（3）着陆装置落震试验：
　　在平日里我们乘坐飞机时，无论飞行员有多高的驾驶技巧，也难以完全避免落地时出现一定程度的颠簸。火箭减速、落地的过程也有相似的情形，发动机通过推力调节起到＂刹车＂减速的功能，配合精准的算法可以实现平稳落地，但冲击依然无法避免，为验证箭体结构能否承受这样的冲击，星际荣耀设计了着陆装置落震试验，考察箭体结构与着陆装置承受冲击载荷的能力。
　　着陆装置落震试验示意图
　　试验前，将箭体结构竖立状态固定在工装上，试验开始后，着陆装置从合拢状态转为展开状态，打开吊具上的位置开关，箭体及尾段进行自由下落，由整套机构吸收自由落体带来的冲击力。试验通过模拟不同着陆速度、着陆姿态，获取着陆装置的缓冲性能和工作可靠性，为后续分析与设计改进工作提供有力支撑。试验后，对关键节点、构件转动情况进行检查，通过超声波与红外等无损检测设备对各结构部组件进行细致的探伤，评价整套机构是否能满足多次使用的要求。
　　双曲线二号着陆装置涉及的诸多关键技术均为国内首次探索，星际荣耀正有序开展结构静力承载试验、机构展开试验、着陆装置落震试验、结构机构疲劳试验等，力求完整验证真实飞行情况下的所有工况，为双曲线二号可重复使用运载火箭一子级的米级、公里级、百公里级垂直起降回收试验，以及后续的双曲线二号首次入轨发射与其一子级火箭的垂直回收（VTVL）提供坚实可靠的保障。