【CC演讲】中国航天日 · 黄伟：让航天员安全回家
面对国外高昂的转让费和技术壁垒，中国航天人自主创新、攻克难关，成为了继美国、俄罗斯后第三个独立自主掌握航天器返回技术的国家。
黄伟
北京空间机电研究所回收着陆专业总工程师
航天降落伞，比人用运动伞，强在哪里？
2018年10月11日，俄罗斯的联盟火箭发射联盟飞船。当时发射升空两分钟，火箭出现了故障。飞船启动了应急返回的程序。最终，两名航天员在降落伞的作用下安全地降落到地面。这次事件也再次警醒人们，载人航天事业存在着巨大的风险，也说明了航天器安全着陆至关重要。
怎么才能保证航天器安全着陆呢？我们知道航天器返回和航天发射正好相反。航天发射大家耳熟能详，一般是利用运载火箭使得航天器获取足够的运行速度，例如超过7.9公里每秒的第一宇宙速度，它就能进入环绕地球的轨道。航天器返回就是要使航天器脱离原来的轨道进入大气层，并且最终减速安全降落到地面。航天器具有高速的飞行速度，利用它自身的驱动外形是不足够减速到安全的程度的。
所以说降落伞就是在航天器返回里面至关重要的一个部分，也是确保航天员生命安全最重要的环节之一。
我们可能会问，航天器降落伞有什么样的技术特点和难点？
我们与人用的运动伞做个比较。一般人用运动伞的作用重量就是人体的重量，几十公斤。而航天器降落伞作用的重量可能会达到几千公斤甚至更重。
人用伞的开伞速度呢？是几十米每秒。而航天器降落伞开伞速度要达到几百米每秒甚至几倍的声速。运动伞的伞衣面积一般很少超过20平方米，而航天器的降落伞动辄就要上百平米，甚至上千平米。
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1200平米的神舟飞船主伞，怎么包起来？
对于神舟飞船的主伞而言，它是一顶1200平方米的降落伞，展开来就会覆盖三个篮球场的大小。
我们要把它安全地包装到一个200升容积的一个伞包里面。其实这个包伞的难度就不简单，因为不能说简单地用力把它塞进去，然后塞到伞包里面就万事大吉。包伞最主要是要确保有序，它的这个1200平方米的降落伞有96根50米长的伞绳，和人用的这种运动伞相比只是几根或者十几根。这么多又这么长的伞绳，是非常容易出现缠绕现象的。
如果控制不好的话有可能导致降落伞开伞失败，甚至使得整个飞船最后坠毁，所以我们必须确保降落伞包伞的可靠。
我们经过长期的摸索，制定了非常详细的降落伞的包装工艺方案，包括从晾伞到整理，梳理伞绳、折叠伞衣和压力包装封包等等，有几十道工序。其中为了确保伞绳不缠绕，我们最主要就是采用了一些专用的工具，比如梳绳夹。在包伞过程中使96根伞绳绝对不会互相缠绕。另外我们在伞绳和伞包连接的时候，是按照有序的一段一段地把伞绳和伞包连接固定，确保它开伞的过程中是有序的。
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特大型降落伞绳帆、甩鞭的问题怎么解决？
在神舟飞船主伞研制的早期，当时我国的返回式卫星的主伞是120平方米，和飞船的1200平米正好差了一个数量级。当时也曾经试图想引进国外的特大型降落伞的技术，但是对方提出来的转让费用是非常的高昂的，而且还对我们的使用提出了很多的限制。如果我们真的自己不能掌握特大型降落伞技术的话，必然对我国后续的载人航天的发展以及升空探测的发展产生很多的掣肘。也有人可能会问我们以前降落伞也做了很多，比如返回式卫星也有120平米的，作为1200平米是不是比例放大之后稍微修改一下就可以了？
但是问题不是这么简单。特大型降落伞会产生很多的问题。比如一个比较难的问题，特大型降落伞在拉直和充气的过程中非常容易出现很大幅度的弯曲。我们把它形象地称为绳帆现象。当绳帆现象的时候，伞衣和伞包出来的过程中会剧烈地摩擦，就会对伞衣产生很强烈的灼伤。另外就是在开伞充气的时候，特大型降落伞由于气流非常的不稳定。不对称地充气就容易出现我们称为甩鞭的现象，就类似于甩鞭子一样。降落伞就会剧烈地摆动，甚至就导致上部伞衣和下部伞衣碰撞。这样的话就会使降落伞破坏。
针对这个问题，其实国外也有文献都有介绍，但是具体怎么解决是没有任何说明的。我们的研制团队经过长期的摸索，包括开展大量的仿真分析，通过进行多项的试验验证，最终针对绳帆和甩鞭的现象，主要就是采用了剥离带和牵顶伞两者结合的一个方式来解决这个问题。
其实基本的思路也还是比较清晰的，就是特大型降落伞在它拉直和充气的过程中始终让它顶部受到一个约束力。比如它从伞包出来的时候，伞包和伞衣之间通过剥离带来控制它不让它甩，它初始充气的时候在它的伞顶上先开一个小伞，这个小伞充气了对它产生一个牵引力，这样的话它想甩也甩不起来。
这个方式经过多次的空投试验的验证证明是非常成功的，也保证了后续一系列载人飞行试验的圆满的成功。
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航天降落伞，都有什么类型？
航天器降落伞在开伞的时候，由于飞行的速度非常的高，因此会产生很大的开伞动载。对于降落伞而言，我们采用的是特纺材料，就是轻质高强的一些纺织的材料。这些材料的强度能够比钢还要强。但是光靠降落伞的强度提高是不够的。因为降落伞的开伞动载会传递到航天器上，也会作用到里面的航天员。
神舟飞船就要求整个开伞过程，航天员承受的过载不能超过5个G。那么我们怎么能够控制降落伞的开伞动载在一定的范围内呢？我们采用了收口技术，以及采用多级伞的方案。也就是说在航天器高空高速的时候，我们先开小伞，然后作用一段时间以后再开大伞。
大家可以通过一个视频可以看到，这是一个收口和多级伞系统的演示，一开始先开一个小伞，这个小伞也是进行收口的，它在收口的过程中实际上已经对飞行器在减速了，减速到一定的程度再张开一个大伞，再把伞整个张满。这样的话使得降落伞的动载能够比较小。
另外就是开多级伞先用减速伞作用一段时间，我们再开这个主伞。这个主伞也是采用了收口，这是解除收口的过程，这样的话就使整个航天器能够在很平稳的状态进行，把高速的，比如从几百米每秒的速度最后降落到十秒每米的左右速度的一个量级。
飞船的降落伞系统由于有航天员的存在，必须要适应各种应急返回和逃逸救生的要求。所以我们的飞船降落伞采用了主份和备份两套独立的降落伞系统，都是由引导伞、减速伞和主伞组成。减速伞和主伞都采用了刚才提到的收口技术。
降落伞多级伞的方案是针对他它工作的高度、速度不一样，也就是说它的特点是不一样的，所以我们的降落伞实际上是有多种伞型。
在这里就以飞船作为一个例子跟大家做一个说明。
比如飞船的主伞我们使用的是环帆伞这种伞型。
大家从图片上可以看到环帆伞的伞衣是比较致密的。它充满的时候，环与环之间会有一定的重叠。这样的话它的周边就形成了一个类似于鱼鳞状的结构构型。在下降的过程中，它周边的气流会更加的紊乱。我们就要追求这种紊乱的效果，使得它的气动阻力更大。
环帆伞还有一个突出的优点，就是不会出现连锁破坏的情况。即使局部出现了破损，但是这个破损不会扩散，也就说还是能保证整体的减速效果，这样的话对航天员的安全是非常有利的。
飞船的减速伞使用的是锥形带条伞伞型。
带条伞突出的优点就是结构强度高。它能够适应高速、高动压的开伞条件。另外大家可以看到带条伞中间的缝隙比较大，我们称为结构透气量比较大。透气量大就使得开伞冲击比较小，这样的话也有利于为主伞创造条件。
飞船的引导伞有两顶，有一个大引导伞、一个小引导伞。这主要是为了确保一定能够把伞系陆续地拉开。小引导伞也用了刚才说的带条伞。大引导伞是用了一种叫环缝伞。
环缝伞实际上跟带条伞很像，也是一环一环。但是相对来说它的环的宽度比较宽，环与环之间的缝隙要小一些。作为引导伞，它的特点就是充气非常的迅速，在开伞的时候能够很迅速地充上气，然后把减速伞拉出来。
主伞上面的牵顶伞，我们又用了一种叫导向面伞。
导向面伞最主要的优点就是稳定性非常好。我们在风洞里面做吹风实验可以很清晰地证明，导向面伞的摆动角度是在三度以内，这样的话作为主伞的牵顶伞，就像刚才给大家提到的甩鞭的情况，它就能够起到很好的约束的效果。
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杨利伟说，有这样的团队，心里就踏实了
航天器降落伞还有一个特点就是它的工作程序是不可逆的。在空中一旦开伞就要按照特定的程序陆续地执行相应的动作。
我们可以直观地想象，不可能在天上把伞开出去了再适时地又收回来重新再开，这是不可能的。正所谓开弓没有回头箭，即使像飞船这种有主份、备份，如果主份出问题转备份的话也一样。返回舱的高度一直是在下降的，也就是航天员安全的高度一直都在损失，所以降落伞一定要保证非常高的可靠性。
我的体会就是从事降落伞工作，一方面我们要通过设计保证产品的可靠性，另外一方面，严慎细实的工作作风、一丝不苟的过程控制也是至关重要的。
我刚参加工作不久有一次参加降落伞的空投实验，当时一天下来工作得有点累，然后看到旁边堆着包好的降落伞，我就想过去靠着休息一会儿。然后我旁边的老专家连忙把我拽住了，制止了我的行为，还给我讲了一件事。
当年他们做返回式卫星降落伞空投试验的时候，有一次也是有一位同事工作一天下来累了，就在一个包好的伞包上坐了一小会儿。
第二天一大早我们开班前会，当时带队的王希季院士，王院士是我们国家航天器返回技术的开创者，也是两弹元勋，他当时就说，头一天晚上根本就没睡着觉，就是因为看见这个同事在这个伞包上坐了一会，他就一直担心会不会影响包伞状态，最后大家还是按照要求把包好的伞拆了，重新地检查，再重新包装。这个事情一直让我记忆犹新。
工作16年来，这种体会也愈加的深刻。我们从事航天器返回的研制人员，一定要以一丝不苟的工作作风来面对所有的问题，绝对不能留有任何的疑点。因为，大家知道航天员是我们祖国宝贵的财富，也是华夏儿女深切的寄托，他们冒着巨大的风险进入太空，我们肩负着使他们能够平安回家的重任，怎么能够有丝毫的掉以轻心？
2003年10月16日，神州五号飞船圆满成功。航天员杨利伟自主出舱。我国首次载入飞行获得了举世瞩目的成绩。后来杨利伟来到我们研究所，现场要参观降落伞的生产的情况，当时他就由衷地感叹，有这样的团队，心里面就踏实了。
神舟五号一开始其实并不知道一定就是杨利伟上，他是最后的时刻才定的。从神舟六号开始，每一届的航天员在飞行试验之前，都要到我们所里面来看降落伞的生产情况，看包装的过程，也就是要看一看伴随他们一块上天的这个降落伞。
每次交流，研制人员更加深刻地体会到使命光荣，但是责任也重大，必须确保一丝不苟地做好每一件工作。
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让我们更深远地探索宇宙
让我们更安全地返回家园
航天器降落伞还有一个特点就是在它工作的时候，返回式航天器已经是最后的工作阶段了，所以降落伞研制人员要经历全部的工作历程。但这个也对我们这些研制人员也提出了新的要求。
2003年我第一次去酒泉卫星发射场参加返回式卫星的发射，当时发射非常成功，很快进入了预定的轨道，各个系统都已经在热烈地祝贺。但是我们这些从事航天器返回的人员内心还一直忐忑不安。直到十多天以后，返回舱再入大气，然后确认降落伞正常开伞的那个瞬间，我们那颗绷着的心才放松了下来。的确是这样，每一次返回式航天器的飞行试验，我们这些负责返回的人只能是笑到最后，当然笑到最后也是笑得最美的。
客观地说，真正的信心还是要建立在对技术的把握，对产品从设计、生产，以及测试到试验全部过程的严格的控制上面，这样才能真正建立我们的信心。
中国航天发展的六十年，航天器返回技术也取得了长足的发展。我国是目前世界上第三个掌握航天器返回技术的国家。事实上现在也只有美国、俄罗斯和中国具备使航天器返回的能力。
我们的航天器降落伞技术，可以自豪地说和美国、俄罗斯的先进技术相比是不遑多让的。航天器降落伞应该是我国完全自主创造的一道美丽的风景。
2018年，我们的航天器降落伞技术也是一个验证的大年。
现在中国航天正在向航天强国建设而努力，也对我们航天器返回技术、航天器降落伞技术提出了更多的要求。我们也需要不断地开拓、创新、发展。让我们更深远地探索宇宙，让我们更安全地返回家园。
编辑：欢成
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