新一代载人飞船航天员着陆缓冲系统吸能特性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31811

固体力学与飞行器总体设计

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新一代载人飞船航天员着陆缓冲系统吸能特性分析

李博¹, 谭沧海², 吴琼², 余抗², 罗敏², 许梦川², 惠旭龙³, 刘小川³, 杨先锋¹(), 杨嘉陵¹

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院强度与结构完整性全国重点实验室，北京 100191
^2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094
^3.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065

收稿日期:2025-01-15 修回日期:2025-02-26 接受日期:2025-04-16 出版日期:2025-05-15 发布日期:2025-05-08
通讯作者: 杨先锋 E-mail:yangxf@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12472376);航空科学基金(20240041051001)

Energy absorption characteristics of landing buffer system of crew module of China’s next-generation manned dpacecraft

Bo LI¹, Canghai TAN², Qiong WU², Kang YU², Min LUO², Mengchuan XU², Xulong XI³, Xiaochuan LIU³, Xianfeng YANG¹(), Jialing YANG¹

^1.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China
^3.National key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Received:2025-01-15 Revised:2025-02-26 Accepted:2025-04-16 Online:2025-05-15 Published:2025-05-08
Contact: Xianfeng YANG E-mail:yangxf@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12472376);Aeronautical Science Foundation of China(20240041051001)

摘要/Abstract

摘要：

载人飞船返回舱安全着陆技术是载人航天的关键技术之一。传统缓冲座椅系统能有效缓冲航天员胸背向的冲击载荷，但对水平方向冲击的缓冲能力较弱。为保障新一代载人飞船返回舱在故障着陆工况下航天员的生命安全，提出了一种新型并联式缓冲承载一体化系统，通过设计新型轻质变截面空心点阵作为能量吸收材料，使缓冲承载一体化系统具有多向缓冲和承载能力，省去了活塞及运动副等支撑机构，大大提升了系统重量利用效率。首先对点阵胞元及缓冲单元进行优化设计，通过准静态压缩试验及落锤冲击试验对其缓冲性能进行分析。其次，通过仿真分析方法讨论了不同斜冲击角度下空心点阵单元的变形模式，最后基于LS-DYNA有限元分析软件建立了飞船返回舱故障着陆工况下的有限元模型，分析了不同水平及竖直方向冲击的故障着陆工况下航天员过载曲线，初步验证了新一代载人飞船返回舱着陆缓冲设计方案的可行性。

关键词: 返回舱, 故障着陆, 座椅缓冲系统, 点阵结构, 变截面

Abstract:

The safe landing technology of manned spacecraft crew modules is one of the key technologies in manned spacecraft. Traditional buffer seats can effectively absorb the impact energy in the chest-back direction of astronauts， but are less effective in buffering horizontal impacts. This paper proposes a novel parallel buffer-support system to ensure the life safety of astronauts in the event of a manned spacecraft's crew module’s hard landing in China’s next-generation manned spacecraft. The buffer-support system has multi-directional cushioning capabilities by selecting lightweight variable cross-section hollow lattice structures as buffers， eliminating the support mechanisms such as pistons and moving pairs， and greatly improving the weight utilization efficiency of the system. Firstly， the lattice cell and buffer unit are optimized and designed， and their performance is comparatively verified through quasi-static compression tests and drop tower impact tests. Secondly， the deformation modes of the buffer unit under different oblique impact angles are discussed through simulation analysis. Finally， a finite element model of the hard landing of the crew module is established to analyze the astronaut’s acceleration curves under hard landing conditions with horizontal impacts from different directions， initially verifying the feasibility of this scheme.

Key words: crew module, hard landing, seat buffer system, lattice structure, variable cross-section

中图分类号:

V476.2

李博, 谭沧海, 吴琼, 余抗, 罗敏, 许梦川, 惠旭龙, 刘小川, 杨先锋, 杨嘉陵. 新一代载人飞船航天员着陆缓冲系统吸能特性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(23): 231811.

Bo LI, Canghai TAN, Qiong WU, Kang YU, Min LUO, Mengchuan XU, Xulong XI, Xiaochuan LIU, Xianfeng YANG, Jialing YANG. Energy absorption characteristics of landing buffer system of crew module of China’s next-generation manned dpacecraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(23): 231811.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

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表1

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参考文献 20

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

类型	试件	质量/g	比吸能/ （J·g^-1）	平均比吸能/ （J·g^-1）
CS	1	128.4	5.027	4.462±0.667
	2	125.4	4.834
	3	129.0	3.526
CCH	1	138.9	5.712	5.764±0.075
	2	140.4	5.869
	3	139.0	5.710
VCH	1	144.9	10.133	10.512±0.286
	2	140.6	10.581
	3	145.5	10.823

新一代载人飞船航天员着陆缓冲系统吸能特性分析

Energy absorption characteristics of landing buffer system of crew module of China’s next-generation manned dpacecraft

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