載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

郭叔偉程文科郭 鵬董楊彪秦子增

（1海軍飛行學(xué)院，葫蘆島 125001

（2國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長沙 410073）

1 引言

回收著陸過程是載人飛船飛行的最后階段，為了保證航天員的安全，提高載人飛船回收著陸系統(tǒng)的安全可靠性，需要對回收系統(tǒng)進(jìn)行大量的計(jì)算分析、地面試驗(yàn)及空投試驗(yàn)，以充分考核回收系統(tǒng)對各種環(huán)境條件下的適應(yīng)性，驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)的合理性。由于經(jīng)費(fèi)和時間等各種條件限制，載人飛船回收著陸過程空投試驗(yàn)次數(shù)有限，難以對多種回收模式、各種環(huán)境條件下的系統(tǒng)工作性能進(jìn)行全面充分的考核，且有些試驗(yàn)也無法實(shí)現(xiàn)，有相當(dāng)部分的試驗(yàn)條件無法滿足，如氣動偏差、大氣環(huán)境偏差和各種特殊返回狀態(tài)等，而純粹的數(shù)值仿真無法實(shí)時考核相關(guān)核心設(shè)備的工作狀態(tài)和性能。為了充分測試和分析在各種工作模式下回收系統(tǒng)的性能，驗(yàn)證關(guān)鍵部件的工作性能和可靠性，有必要研制一套針對載人飛船回收著陸系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺。

載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)是通過實(shí)時模擬飛船返回的壓力環(huán)境，將飛船回收控制裝置接入仿真回路的一套半實(shí)物仿真平臺[1]。利用該半實(shí)物仿真平臺，可研究返回艙在各種返回條件下的飛行性能、考核相關(guān)硬件可靠性和適應(yīng)性、評估回收程序流程的合理性。在該平臺上進(jìn)行的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，可與已有的全數(shù)值仿真試驗(yàn)、空投試驗(yàn)進(jìn)行互相印證和對比，形成了一系列完整的針對載人飛船回收著陸系統(tǒng)的試驗(yàn)技術(shù)。

與普通飛行器六自由度動力學(xué)半實(shí)物仿真系統(tǒng)[2]相比，載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺不僅包含了實(shí)時控制、視景顯示、實(shí)時仿真算法等技術(shù)，還具有其獨(dú)有特點(diǎn)和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，如負(fù)壓環(huán)境模擬、多通路指令信號采集和激勵、混合式網(wǎng)絡(luò)以及多階段多模型動力學(xué)仿真框架技術(shù)。

2 載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)介紹

載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)一共為6個部分，分別是回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)、程控自動測試與I/O子系統(tǒng)、環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)和回收程序控制裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程如下：1）回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)計(jì)算出返回艙、各種降落傘的動力學(xué)數(shù)據(jù)，返回艙取壓點(diǎn)壓力值以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，向環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)發(fā)出壓力數(shù)據(jù)，擇機(jī)向回收程控裝置發(fā)出激勵指令，每一仿真步長內(nèi)讀取I/O子系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)指令；2）環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)循環(huán)讀取壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)實(shí)時模擬壓力環(huán)境；3）回收程控裝置根據(jù)壓力控制信號、接收的激勵指令和控制流程，向回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)指令；4）回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)指令更新動力學(xué)模型，并進(jìn)行實(shí)時計(jì)算；5）數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)和可視化子系統(tǒng)實(shí)時讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，同步顯示動力學(xué)數(shù)據(jù)和可視化姿態(tài)。

保證系統(tǒng)仿真精度和順利進(jìn)行的關(guān)鍵點(diǎn)在于：高精度快速調(diào)節(jié)的壓力模擬、有效的指令數(shù)據(jù)的采集和激勵、依據(jù)指令迅速有效的改變動力學(xué)模型的仿真框架、滿足實(shí)時仿真的通信網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 返回再入壓力環(huán)境模擬技術(shù)

載人飛船回收著陸系統(tǒng)利用靜壓高度控制器來控制開傘，靜壓高度控制器的接通高度決定了返回艙的開傘高度，而開傘高度對回收著陸系統(tǒng)飛行性能的影響，則是回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。環(huán)境壓力模擬裝置加入到回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)，一個主要目的在于評估靜壓高度控制器的工作特性，包括：在各種可能的工作模式下靜壓高度控制器的接通高度范圍和接通壓力范圍，研究返回艙的運(yùn)動狀態(tài)對靜壓高度控制器工作性能的影響，驗(yàn)證靜壓高度控制器壓力閾值設(shè)置的合理性。

環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)的研究內(nèi)容可分為兩部分：1）計(jì)算返回艙回收過程中取壓點(diǎn)的壓力變化，為此需要計(jì)算返回艙取壓孔附近壓力系數(shù)[3]；2）環(huán)境壓力模擬設(shè)備研制，將取壓孔置于密閉容器內(nèi)，通過調(diào)節(jié)密閉容器的真實(shí)壓力達(dá)到壓力模擬的目的，其實(shí)時調(diào)節(jié)精度和速度應(yīng)達(dá)到載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真平臺的要求。

在返回艙取壓孔附近壓力系數(shù)數(shù)值計(jì)算研究內(nèi)容中，首先開展典型工況的風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值計(jì)算，通過二者比較驗(yàn)證，對CFD數(shù)值計(jì)算的模型進(jìn)行修正。采用修正以后的計(jì)算模型對所有工況進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，獲得取壓孔的壓力特性隨攻角、側(cè)滑角、速度、高度等變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 取壓孔處壓力修正系數(shù)計(jì)算過程

在環(huán)境壓力模擬設(shè)備研制工作中，首先是要保證壓力調(diào)節(jié)指標(biāo)滿足半實(shí)物仿真的實(shí)時要求，在飛船的返回過程中，開傘控制系統(tǒng)的實(shí)際工作的環(huán)境是10km左右的高空大氣。飛船正常回收時，環(huán)境壓力逐漸升高；上升段救生逃逸時，環(huán)境壓力逐漸降低，因此通過計(jì)算可以確定壓力調(diào)節(jié)的范圍和調(diào)節(jié)精度，為了提高壓力調(diào)節(jié)精度，除采用高精度傳感器和先進(jìn)的控制系統(tǒng)外，特別采用了雙真空罐進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，其原理如圖3所示。

圖3 環(huán)境壓力模擬器工作原理

環(huán)境壓力模擬裝置基本工作流程是：在每個采樣周期，由動力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)將計(jì)算的總壓信息（期望壓力）發(fā)出，通過光纖反射內(nèi)存卡映射到環(huán)境壓力控制計(jì)算機(jī)，工控機(jī)通過比較期望壓力與高精度壓力傳感器感應(yīng)的封閉容腔（即飛船上取壓盒）內(nèi)壓力之差，根據(jù)工控機(jī)內(nèi)的控制程序，發(fā)出控制信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡信號轉(zhuǎn)換后，輸出到伺服放大器，驅(qū)動電/氣伺服裝置（主要是電氣比例閥）運(yùn)動，通過控制電氣比例閥接通低壓或高壓氣體的流量，從而改變封閉壓力容腔（取壓盒）內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)封閉容腔內(nèi)壓力的實(shí)時、高精度、快速調(diào)節(jié)響應(yīng)。

圖4為一次半實(shí)物仿真返回艙接近開傘點(diǎn)時取壓孔壓力變化，圖中期望壓力為回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)向環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)發(fā)送的壓力值，模擬壓力為環(huán)境壓力模擬裝置封閉容腔內(nèi)的真實(shí)壓力。從圖中可以看出，環(huán)境壓力模擬裝置的壓力控制響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)精度、上升響應(yīng)速度都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，其模擬壓力與期望壓力的誤差一般不超過50Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜壓高度控制器的工作誤差范圍。

圖4 返回艙接近開傘點(diǎn)時取壓孔壓力變化

3.2 多通路指令信號處理技術(shù)

在載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，被測硬件實(shí)物之一回收程序裝置與外界的通信為多通路指令信號。為了保證被測硬件的安全、滿足仿真實(shí)時性需求和功能需要，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，專門設(shè)置了I/O子系統(tǒng)來處理信號采集和激勵，I/O子系統(tǒng)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)，如圖5所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)與仿真主機(jī)的通信、整個I/O子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、回收程控裝置自動和手動測試軟件、以及與下位機(jī)通信；下位機(jī)負(fù)責(zé)采集回收程控裝置的指令信號以及將指令向上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，同時也根據(jù)上位機(jī)的通信信號向回收程控裝置發(fā)出各種激勵信號。

圖5 I/O子系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)I/O子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)需要，達(dá)到實(shí)時仿真精度需求以及確?；厥粘绦蚩刂蒲b置的安全性，I/O子系統(tǒng)采用了如下技術(shù)手段以保證系統(tǒng)達(dá)到半實(shí)物仿真要求：

1）光電隔離技術(shù)。下位機(jī)與回收程序控制硬件之間的信號激勵和數(shù)據(jù)采集經(jīng)光電隔離，可以確保程控硬件的安全性，也不會干擾程控硬件的信號，具有較高的可靠性。

2）滿足實(shí)時仿真需求的高速高效網(wǎng)絡(luò)通信，在I/O子系統(tǒng)中存在兩個網(wǎng)絡(luò)通信：下位機(jī)與上位機(jī)串口通信、上位機(jī)與仿真主機(jī)的以太網(wǎng)通信，為了保證半實(shí)物仿真實(shí)時的需要，對I/O子系統(tǒng)中的兩個網(wǎng)絡(luò)通信提出較高的要求。下位機(jī)和上位機(jī)采用RS-232串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其中關(guān)鍵點(diǎn)是下位機(jī)采集指令的發(fā)生時機(jī)和指令編排方案。下位機(jī)指令發(fā)送時機(jī)采用兩種模式同時進(jìn)行：一種是一定間隔的定時發(fā)送；另一種是根據(jù)指令變化觸發(fā)式發(fā)送。該兩種模式即保證了串口通信的正常測試和監(jiān)控，又使采集到指令后的傳輸延遲時間縮短。上位機(jī)與仿真主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信是基于TCP/IP以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)滿足仿真精度需求。

3.3 半實(shí)物仿真混合式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和通信是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的支撐技術(shù)，而實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)通常采用基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享儲存器技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4-5]。在載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，為了保證仿真精度和實(shí)時需求，對于一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸，均采用了共享儲存器技術(shù)；而對于一些實(shí)時要求不高的數(shù)據(jù)傳輸采用了擴(kuò)展性較好、成本低的以太網(wǎng)通信方式。因此，整個載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用了混合式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即同時采用了共享儲存器和以太網(wǎng)通信技術(shù)。

載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)流向、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信需求和擬用網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備如表1所示。其中，仿真主機(jī)（承載回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)）和環(huán)境壓力模擬計(jì)算機(jī)、仿真主機(jī)與I/O接口計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，在整個載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)中要求最高，也最為重要。

表1 載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備指標(biāo)說明

回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)的仿真步長一般設(shè)定為2～10ms，經(jīng)實(shí)際測驗(yàn)，仿真過程中系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式，單位時間內(nèi)，回收著陸仿真主機(jī)和I/O子系統(tǒng)之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信量不到100Mbps以太網(wǎng)總?cè)萘康?%，其數(shù)據(jù)通信時間間隔為仿真步長，而I/O子系統(tǒng)指令要求的網(wǎng)絡(luò)延時為百毫秒量級。有資料[6]表明，并經(jīng)實(shí)際測試，此類通信量和通信模式的以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信延遲一般在1ms以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)通信時間間隔和I/O子系統(tǒng)指令網(wǎng)絡(luò)時延的要求，因此，采用以太網(wǎng)的通信方式能夠滿足回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)和I/O子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信需要。與此同時，采用以太網(wǎng)通信方式有利于提高仿真節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展性，便于各種仿真的調(diào)試和運(yùn)行，如在普通微機(jī)上可迅速移植I/O節(jié)點(diǎn)、可視化節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)。

在載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真過程中，環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)需要根據(jù)接到的環(huán)境壓力期望值進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過程需要一定的時間。因此，希望回收著陸動力學(xué)仿真子系統(tǒng)與環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信延遲越短越好，以便留給壓力模擬設(shè)備充足的調(diào)節(jié)時間，共享儲存器通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸延遲一般在4.5μs以下[6-7]，能夠滿足仿真精度需求。

3.4 多階段動力學(xué)仿真框架

載人飛船回收模式多，回收過程又可分為多個工作階段，如減速傘拉直工作段、減速傘充氣工作段；每個工作階段又包含不同的動力學(xué)模型，如減速傘充氣工作段包含返回艙動力學(xué)模型、減速傘充氣動力學(xué)模型、單點(diǎn)吊掛約束模型等。再考慮到載人飛船回收著陸系統(tǒng)包含的備份傘系統(tǒng)動力學(xué)模型，整個載人飛船回收全過程的動力學(xué)模型數(shù)量非常大，且每次動力學(xué)模型轉(zhuǎn)換時的參數(shù)傳遞和環(huán)境參數(shù)加載也比較復(fù)雜，因此如果按照傳統(tǒng)的建模方式構(gòu)建仿真框架，整個載人飛船回收著陸動力學(xué)仿真框架流程復(fù)雜，編程工作量很大，且容易出錯。

考慮到半實(shí)物仿真平臺的實(shí)時性，程序的可擴(kuò)展性等需求，有必要在對載人飛船回收動力學(xué)模型進(jìn)行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，建立比較通用和高效率的降落傘動力學(xué)仿真框架，以適應(yīng)載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺的多項(xiàng)指標(biāo)要求。在借鑒前人的降落傘系統(tǒng)動力學(xué)分層建模思想[7]和應(yīng)用面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ幕A(chǔ)上，充分考慮到載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺的特點(diǎn)，構(gòu)建了載人飛船回收著陸過程分階段、分層次、高效的仿真框架，如圖6所示。

圖6 載人飛船回收著陸仿真框架層次結(jié)構(gòu)

圖7 基元模型的分解

模型構(gòu)建的關(guān)鍵點(diǎn)在于一般基元層和模型集成層，其總體思路是先建立單個動力學(xué)微分和單個約束的基元模型，通過分析各個基元模型的特點(diǎn)，利用面向?qū)ο蠓椒ǎ越y(tǒng)一的接口將相關(guān)基元模型連接在一起，形成某個運(yùn)動階段的動力學(xué)模型，如圖7所示，圖中分別建立了傘、傘包、返回艙動力學(xué)微分基元模型和傘與傘包、傘包與返回艙的約束基元模型，這些基元模型均繼承同一父類，該父類具有相同的接口，通過該接口將模型連接在一起，形成該階段的動力學(xué)模型。在運(yùn)動階段和階段模型發(fā)生改變時，如主傘單點(diǎn)吊掛轉(zhuǎn)換成雙點(diǎn)吊掛，只需關(guān)閉和激活相關(guān)基元模型（包括動力學(xué)微分基元和約束基元），更新個別特殊參數(shù)，而大部分基元模型的參數(shù)基本保持不變，其階段模型轉(zhuǎn)換過程類似堆積木，簡單而形象，使整個仿真框架層次分明，模型轉(zhuǎn)換方便而清晰，避免了重復(fù)的參數(shù)傳遞。

在仿真框架中，構(gòu)建了統(tǒng)一的模型連接接口，不僅使一系列基元模型能夠準(zhǔn)確的連接在一起，還能使動力學(xué)階段模型改變時能夠方便，快速地更新模型，以適應(yīng)半實(shí)物仿真實(shí)時的需求。

4 結(jié)束語

本文就載人飛船回收著陸半實(shí)物仿真系統(tǒng)特有的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。首先，為了實(shí)時模擬飛船返回過程返回艙取壓孔的環(huán)境壓力，研制出了環(huán)境壓力模擬裝置，該設(shè)備采用了高精度傳感器、先進(jìn)的控制系統(tǒng)、雙真空罐等技術(shù)手段進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，從最后仿真結(jié)果來看，其壓力控制穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)速率等關(guān)鍵性能指標(biāo)均能滿足半實(shí)物仿真的需要；其次，針對回收程控裝置的信號采集和激勵，采用了光電隔離技術(shù)、指令定時和觸發(fā)式雙重發(fā)送機(jī)制，保證了設(shè)備的安全性和仿真的實(shí)時性；為了保證半實(shí)物仿真的實(shí)時性和仿真節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展性，在關(guān)鍵數(shù)據(jù)通信上采用了實(shí)時性好的共享存儲器技術(shù)，在實(shí)時性要求低的數(shù)據(jù)通信上選用了擴(kuò)展性好的以太網(wǎng)通信，達(dá)到設(shè)備性能的最優(yōu)化；最后，根據(jù)飛船返回過程的多個運(yùn)動階段和多種動力學(xué)模型，開發(fā)了基于分層建模和面向?qū)ο蟮姆抡婵蚣?，簡化了仿真建模的難度，提高了整個仿真系統(tǒng)的通用性。

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