【小狗】终极解密！长征5B搭载的——“充气式下降”黑科技_风闻
小狗2017-微信公号—“小狗2017”—已开通，请关注、指正2020-06-04 17:46
充气式再入和下降技术，简称IRDT。用途是使用充气结构展开折叠的大型防热盾，使得降落时阻力更大、弹道系数更低（弹道系数可以理解在大气层中惯性飞行物体的存速能力，弹道系数越高减速越慢）、更好的推开前方炽热的大气层从而减速更快。IRDT能在降落伞无法展开的高度和速度下工作，比降落伞高效，可靠的多。
我们这次的货物试验舱之所以要加上"柔性充气式"这个前缀，就是因为它带上了IRDT这个热盾。
IRDT一般由充气展开柔性结构、气源及充气组件、刚性结构、控制与测量装置、解锁装置等组成，其中最为重要的组成部分即为充气展开柔性结构。
充气展开柔性结构在发射时需要折叠包装，在轨及进入过程中充气展开，并维持所需的气动减速外形，能够承受高速下降过程中的气动加热。
围绕充气展开柔型结构，主要的关键技术有：多场耦合及气动优化设计，轻质柔性耐高温材料，折叠包装与充气展开技术。总结三大关键技术:气动、材料、封装与展开技术。
IRDT基本构造是最外层涂着包括有机硅、酚醛树脂等烧蚀升华材料，然后是耐热纤维、碳纤维、玻璃纤维、可能有凯夫拉和诺梅克斯纤维织物、多层隔热材料包括镀铝聚酰亚胺膜、硅酸铝或者碳化硅气凝胶隔热层等等。
材料多层叠加复合组成的充气柔性结构，具体用什么看设计(下面会讲)，内部充氮气。
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一，美帝的开扩
20世纪60年代，美国进行了附体式充气减速器（Attached Inflatable Decelerator，AID）项目研究。该项目基于探测火星等空间任务的需求，目标是满足“海盗号”探测器进入火星大气后气动减速的要求。
由美国GoodYear公司对充气式进入减速技术开展了较为全面的研究，其采用的构型为附体式等强度曲面型方案。
AID项目原理样机采用了内部挥发气体充气及外部冲压充气补充的方案，即首先利用挥发式气体发生器实现充气结构的快速初步充气，使得充气结构外围的充气口能够展开，然后利用外部气流动压使大气进入而确保充气结构具备足够的内外压差。
AID项目开展了系列超声速风洞试验和空投试验，风洞试验的样机达到1.5m直径，验证了Ma=3条件下的气动特性，空投试验则成功展开了一个直径达到11m的原理样机。
20世纪末，NASA以未来大质量火星着陆探测任务为潜在的工程背景，启动了高超声速充气式气动减速器（HIAD）研究计划，发展和验证了充气式再入气动减速技术。
在HIAD计划中，NASA开发的充气减速器（IRVE）是一种堆叠圆环型充气减速器，由柔性材料制成的一系列不同直径的充气环组成倒锥形充气减速器。IRVE的结构刚度高，在展开后的阻力面受到气动力载荷作用时不易变形。
2007年，IRVE-1进行了飞行试验，减速器没有与火箭分离，导致充气防热结构未能得到验证。
2009年，IRVE-2再次进行了飞行试验，初步验证了IRVE减速器的充气过程和再入生存能力，对再入热防护和减速性能进行了评估。
同时，2010年NASA在FY09型号研究中重点发展了一种大型超声速充气式减速器，为10~50t级的大质量火星探测任务作准备。
2011年，NASA进一步对FY09中减速器柔性热防护材料的评估表明目前还没有一种柔性材料能满足进入段的气动热对材料耐热温度的要求。2012年，IRVE-3飞行任务验证了充气式防热罩展开技术的可行性。IRVE-4计划仍为亚轨道飞行试验，与IRVE-3类似，将进一步验证利用质心调节、姿态调节等手段所实现的落点控制能力。
6m直径HIAD风洞试验模型 HIAD项目中新型进入概念研究中还包括高能大气再入试验（High Energy Atmospheric Reentry Test，HEART）验证计划。
HEART计划飞行8.3m直径充气舱，其头锥半径1.5m，进入角-1°~-2°，进入质量3600kg，进入速度7.6km/s。
由于HEART相比IRVE有较大的跨越，在IRVE与HEART计划之间，NASA组织开展3m、6m、8.3m直径充气舱的一系列风洞试验。
其中，6m充气舱风洞试验模型如下图所示，开展了1~5kPa外部气流动压、7~34kPa内部充气压力、0°±25°攻角组合工况下的风洞试验。试验中除了加速度、强度等力学性能外，还利用激光三维成像、多台可见光相机组合测量的方式详细测量了充气舱结构变形情况。
美国喷气推进实验室（JPL）针对Mars2020的需求，开展了超声速充气减速器任务（SIAD-R）的研究。SIAD-R任务要求适应Ma=4、动压2200Pa的条件，属于NASA的低密度超声速减速器项目（LDSD）的一部分。
SIAD-R 与IRDT、HIAD等项目不同，SIAD-R任务对减速及防热的需求大为降低。一方面，不要求充气结构将进入器全部包裹，只是在进入器周边充气展开一圈增阻装置，要求充气展开部分的变形小于3cm，可见对充气结构外形刚度要求并不高；另一方面，SIAD-R充气减速装置仅要求充气展开材料耐受温度290℃，因此选择了常规的凯夫拉Kevlar29材料，表面涂覆硅树脂。SIAD-R装置内部冲压至约48kPa，采用18个气体发生器进行充气。SIAD-R任务开展了火箭橇试验及高空飞行试验，均获得了成功。
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二、俄罗斯
1998年，俄罗斯与德国宇航局合作，再次启动充气再入技术验证项目，设计并制造了IRDT验证航天器。
2000年、2002年和2005年，俄罗斯在欧洲航天局（european space agency，ESA）等机构的合作参与下，进行了三次IRDT的飞行试验。三次飞行试验均未完全成功，但在轨成功地实施了充气展开，积累了大量的数据和经验。
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三，落魄贵族的执着
欧洲航天局ESA参与了国际空间站项目并运营有自己的"哥布林"实验室舱段。但他们没有自己的航天飞机和载人飞船。所有的试验成果在返回时都要依赖美俄。
于是，不甘心的ESA计划在自己的货运飞船ATV上安装充气式货物返回舱，称为"空间站下行系统"(DLS)，DLS也可用作宇航员的紧急逃生舱。没错，也就是说当DLS被用来逃生时，返回方式跟高达一模一样。
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四，东瀛的突破
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和东京大学、东京科技学院等联合成立了大气进入舱薄膜减速器（MAAC）项目组，开展了充气式进入减速技术的研究。
MAAC项目2.5m直径飞行试验器在风洞进行载荷试验 2009年8月，MAAC项目利用高空气球进行了25km海拔高度的投放试验，试验器为一个最大展开直径1.264m、质量3.375kg的原理性样机，试验获得成功，验证了充气展开及减速下降的工作程序。
2012年8月，MAAC项目利用探空火箭进行了100km海拔高度充气展开并减速下降的亚轨道飞行试验，试验器最大展开直径1.22m，总质量15.6kg，薄膜和充气管主要采用柴隆（ZYLON）材料制作。这次试验验证到的最大热流达到16.5kW/m2，最大飞行速度达Ma=4.6。
目前，JAXA计划搭载卫星开展进一步的近地轨道再入飞行试验，试验器最大充气展开直径2.5m，质量50kg，外形如下图所示。
总结:
IRDT技术从一出生就与深空探测、再入返回紧密连系在一起。
作为一种低成本的减速器，IRDT的成熟将实质性地降低货物和人员返回成本;
作为一种高可靠性的减速器，它能有效的配合乃至替换降落伞，提高航天员的安全性;
作为一种高效的减速器，它能有效帮助各种飞船和探测器降落外星。
虽然它称不上真正的"黑科技"，但却是一种真正的高科技，是需要我们不惜代价也要夺取的制高点。望诸君共勉，勇攀高峰，实现那宏伟的航天梦。
（转自百度贴吧“那年那兔那些事儿吧”，原发帖人“灵星子”）
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