1.2.4 下降段

根据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）在空间技术路线图进入、下降与着陆技术领域中对下降段的界定，下降段主要是指从超声速减速到亚声速这一飞行下降阶段，对于采用降落伞减速的航天器来说，通常指降落伞减速阶段，从降落伞开始工作起至着陆系统或终端制动发动机开始工作止。因此，EDL过程中的下降段也可称为降落伞减速段。一般进入器依靠其自身的外形在气动阻力的作用下减速后会逐渐接近平衡速度。即当进入器所受到气动阻力D与其所受重力为W平衡时稳定下降速度。根据式（1-2），则平衡速度为：

式中，ρ——大气的密度；

S——进入器的参考面积。

一般对于返回式航天器来说，当返回器下降到海拔15km左右的高度，其速度可减小到声速。再继续下降，返回舱的速度将逐渐趋于稳定下降速度，保持在100～200m/s。此时，如果不进一步采取减速措施，则返回器将以100m/s以上的速度冲向地面而坠毁。在此稳态情况下，继续应用气动力减速原理，通过增大返回舱的阻力面积进一步降低其β值（β=m/CDS为综合表示返回舱质量和阻力特征的弹道系数），是使返回舱速度继续减小的最优途径。因此在着陆之前还需要一套气动减速装置，将返回器进一步减速到安全着陆速度，通常是采用降落伞系统来实现着陆减速的。论证和实践证明，逐级展开降落伞、逐步增大阻力面积（即逐次减小“返回舱—降落伞”组合体的β值）是使返回舱进一步减速下降的最现实、最有效、最可靠的方法。但是，在工程设计中不能无限增大降落伞面积以期达到极小的β值（通常情况β值不宜小于2～4kg/m2），因此，乘降落伞下降的返回舱必然是带有一定垂直速度进入着陆阶段的。

降落伞减速段也是进入器降落伞减速系统的工作段。降落伞减速系统是根据这一段轨道起始点的条件（主要是速度、高度和大气参数）和着陆条件（主要是着陆速度、当地风速和着陆区的地理情况）而设计的。

将进入器的速度由超声速或高亚声速降低到安全着陆速度，一般是由两具（或两组）降落伞来完成。首先打开一具（或一组）面积较小的降落伞，称之为减速伞，将返回舱速度由每秒二百多米减少到每秒数十米；而后减速伞分离，打开一具（或一组）面积较大的主伞，将返回舱速度进一步减低到安全着陆速度。如我国的返回式卫星和神舟号飞船均是采用了减速伞和主伞两级减速装置。

图1-4是神舟号飞船降落伞减速着陆工作过程。返回舱进入大气层下降到约20km高度后，升力控制结束、倾侧角归零，保持以配平姿态继续下降。当返回舱下降到约10km高度时回收着陆系统开始动作，首先将伞舱盖以一定的分离速度弹射出去，同时将两具串联的引导伞从伞舱拉出并打开。引导伞的牵引力又将减速伞从伞舱中拉出，减速伞先呈收口状充满，经8s后解除收口完全张满。减速伞工作过程持续一定时间后，返回舱将下降到约8km高度。此时，减速伞与返回舱分离同时拉出主伞。同样，主伞先呈收口状充满，经8s后解除收口完全张满。返回舱乘主伞稳定下降至约5km高度时抛掉防热大底，接着又转换吊挂方式，由单点倾斜吊挂转换到双点垂直吊挂，为着陆反推装置工作创造必要条件。当返回舱下降到距地面1m的高度时，着陆反推发动机点火工作，使返回舱再次制动减速后安全着陆，着陆后航天员根据需要通过手控使主伞与返回舱脱离。

图1-4 神舟号飞船降落伞减速着陆过程示意图

对于气动外形呈大头朝前的返回器来说，由于在亚、跨声速气流中，其运动一般是不稳定的，会出现大幅度的摆动、旋转，甚至翻滚。在此情况下打开减速伞还能起到稳定返回舱的作用，因此减速伞又称为稳定伞。在某些情况下，如在超声速情况下就要打开一具降落伞以稳定返回舱的姿态，为主伞创造良好的开伞姿态条件，确保主伞的开伞可靠性。如星尘号返回器回收着陆系统设计为两级降落伞减速，减速伞为盘缝带伞，主伞为三锥形伞。减速伞就是在高度约32km高度处，马赫数Ma=1.37条件下弹射开伞的。

对于火星探测器减速着陆系统来说，由于火星大气非常稀薄，只有地球表面大气密度的1%左右，为了提高进入器的气动减速特性，一般需要采用大钝头体外形，如图1-5所示美国凤凰号火星探测器的气动外形。对于这种气动外形的进入器，一方面其在亚、跨声速阶段的稳定性较差，另一方面因火星大气稀薄，完全依靠进入器的气动外形也很难将进入器减速到亚声速。因此，一般需在超声速阶段就要打开降落伞对进入器进行减速和稳定姿态。所以对于火星探测器来说，降落伞既具有减速功能又具有稳定姿态的功能。

图1-5 凤凰号的气动外形