月球取樣返回器回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究

王海濤 程文科 秦子增

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073）

0 引言

我國探月工程三期中，月球取樣返回器回收分系統(tǒng)對(duì)可靠性有很高的要求，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和仿真研究。除了通過空投試驗(yàn)對(duì)返回器回收分系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證和可靠性評(píng)估以外，半實(shí)物仿真試驗(yàn)也是進(jìn)行返回器回收分系統(tǒng)仿真試驗(yàn)研究的一項(xiàng)重要的可靠性試驗(yàn)。由于半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是由返回器回收過程的動(dòng)力學(xué)仿真程序和返回器上的回收控制器及壓力高度控制器等真實(shí)的硬件設(shè)施構(gòu)成回路系統(tǒng)，因此，半實(shí)物仿真系統(tǒng)不但可以用于分析返回器回收過程中的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)和參數(shù)，而且可以對(duì)系統(tǒng)中的返回器上的回收控制器和壓力高度控制器進(jìn)行充分的測試和考核，為回收分系統(tǒng)高可靠性、高安全性和高性能等技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的保證[1-4]。

文獻(xiàn)[5-6]介紹了我國“神舟”系列載人飛船回收著陸分系統(tǒng)研制的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，與其相比，月球取樣返回器回收分系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要具有以下研制需求：

1）由于月球取樣返回器模型和回收流程的改變，需對(duì)仿真模型進(jìn)行重新的修改、驗(yàn)證和調(diào)試；

2）月球取樣返回器與載人飛船回收系統(tǒng)的程控裝置相比，其指令序列及接口也需要根據(jù)指令流程和信號(hào)技術(shù)指標(biāo)研發(fā)相配套的回收控制器測試和輸入輸出（input/output,I/O）系統(tǒng)；

3）在月球取樣返回器程控自動(dòng)測試和I/O裝置中，增加了壓力高度開關(guān)信號(hào)抖動(dòng)模擬和程控裝置循環(huán)測試功能，這是“神舟”系列載人飛船回收系統(tǒng)的程控裝置所不具備的；

4）研制的環(huán)境壓力模擬裝置具有控制容積可變，控制壓力和啟動(dòng)高度范圍大、適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)，既可滿足月球取樣返回器半實(shí)物仿真需求，又方便于系統(tǒng)的升級(jí)和改造。

本文是對(duì)已經(jīng)成功研制的月球取樣返回器回收分系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的總結(jié)，但由于系統(tǒng)涉及到動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)時(shí)仿真、環(huán)境壓力模擬、程控自動(dòng)測試與I/O、可視化、混合網(wǎng)絡(luò)交互等眾多研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，限于篇幅，本文僅就總體設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行效果進(jìn)行介紹。

1 回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The configuration of hardware-in-the-loop simulation system

其中回收仿真子系統(tǒng)是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的核心，主要完成仿真管理、動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算、結(jié)果數(shù)據(jù)管理等任務(wù)，同時(shí)具備曲線顯示功能。

程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)可單獨(dú)作為回收程序控制裝置的自動(dòng)測試設(shè)備，在整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的回路中，該系統(tǒng)則是回收仿真子系統(tǒng)和回收程序控制裝置之間指令、數(shù)據(jù)的輸入輸出接口設(shè)備。

環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)可根據(jù)回收仿真子系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的期望壓力作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)跟隨和模擬返回器取壓孔附近的環(huán)境壓力，為回收程序控制裝置中的壓力高度控制器提供一個(gè)真實(shí)的壓力環(huán)境。

可視化子系統(tǒng)可以根據(jù)回收仿真子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)艙傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，以三維實(shí)體可視化的方式逼真地渲染整個(gè)返回器回收過程。

回收程序控制裝置是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要設(shè)備，在整個(gè)半實(shí)物仿真回路中提供激勵(lì)信號(hào)，并響應(yīng)反饋指令。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

系統(tǒng)由回收仿真工作站、環(huán)境壓力模擬器、可視化工作站和程控自動(dòng)測試與I/O裝置共4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。其中回收仿真工作站、可視化工作站和程控自動(dòng)測試與I/O裝置3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過以太交換網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互，回收仿真工作站和環(huán)境壓力模擬器的數(shù)據(jù)交互通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network,CAN）實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，回收仿真子系統(tǒng)與環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信量很大，兩個(gè)子系統(tǒng)之間采取CAN總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信既可保證實(shí)時(shí)性、又可保證可靠性，且價(jià)格相對(duì)低廉[7-8]。

本研究將中老年民眾保健食品風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知情況以李克特五級(jí)量表衡量(1=完全不同意，5=完全同意)，分值越高表示中老年民眾的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知水平越高。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Fig.2 The communication environmentof hardware-in-the-loop simulation system

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

以月球取樣返回器的正常返回過程為例，半實(shí)物仿真系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下：

1）主開關(guān)通指令發(fā)出后，回收程序控制裝置加電并啟動(dòng)工作，與此同時(shí)，仿真程序開始運(yùn)行，此時(shí)模型為單艙運(yùn)行，并根據(jù)仿真狀態(tài)，不斷計(jì)算取壓孔處壓力并發(fā)送到壓力模擬裝置；同時(shí)壓力模擬裝置不斷模擬仿真程序提供的需求壓力；在每一個(gè)仿真步，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發(fā)出。

2）隨著返回器高度的不斷降低，壓力模擬裝置的壓力不斷增大，最終使壓力高度控制器開關(guān)接通，此時(shí)回收程序控制裝置設(shè)為第一個(gè)時(shí)間零點(diǎn)t1=0s，此時(shí)間零點(diǎn)也是回收程序控制器后續(xù)指令的時(shí)間零點(diǎn)。仿真程序繼續(xù)單艙運(yùn)行。在每一個(gè)仿真步，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發(fā)出。

3）回收程序控制裝置發(fā)出彈傘艙蓋指令。仿真程序接到該指令后，調(diào)用彈蓋后系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型開始仿真計(jì)算。依次進(jìn)行減速傘拉直、充氣和全張滿過程的仿真計(jì)算，在這些計(jì)算的每一個(gè)仿真步中，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發(fā)出。

4）回收程序控制裝置發(fā)出拉主傘指令。仿真程序接到該指令后，依次計(jì)算脫減速傘、主傘拉直、充氣和全張滿過程。同時(shí)不斷檢測回收程序控制裝置是否有指令發(fā)出。

5）回收程序控制裝置發(fā)出“脫主傘保險(xiǎn)解除”反饋指令，并由程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)記錄。

6）回收仿真子系統(tǒng)接收到“脫主傘保險(xiǎn)解除”指令后，當(dāng)返回器著陸產(chǎn)生沖擊過載后，仿真主程序向程控裝置發(fā)出“過載開關(guān)通”激勵(lì)指令，當(dāng)接收到“過載開關(guān)通”反饋指令時(shí)，記時(shí)間零點(diǎn)t2=0s，此時(shí)間零點(diǎn)是“脫主傘”指令的時(shí)間零點(diǎn)。

7）回收程序控制裝置發(fā)出“脫主傘”反饋指令，并由程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)記錄，此時(shí)回收仿真系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真已結(jié)束。

在仿真過程中，回收仿真子系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求向可視化子系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)其顯示功能。為了保證環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力的精度和數(shù)據(jù)處理方便，環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)同時(shí)以CAN通訊的形式向動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)，回收仿真子系統(tǒng)仿真基本流程如圖3所示。

圖3 仿真基本流程Fig.3 The standard flow of simulation

1.4 系統(tǒng)新特點(diǎn)

月球取樣返回器回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研制繼承了載人飛船回收著陸分系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的很多經(jīng)驗(yàn)，然而比較而言也有很多創(chuàng)新和改進(jìn)的地方，新系統(tǒng)的創(chuàng)新之處主要有：

1）程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)。載人飛船回收著陸分系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)在程控?cái)?shù)據(jù)采集以及上位機(jī)和下位機(jī)的交互部分基本上都是數(shù)字量，而月球取樣返回器回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)的程控自動(dòng)測試與I/O子系統(tǒng)在此部分基本都是模擬量，數(shù)據(jù)傳輸和采集機(jī)制有著根本性的改變，數(shù)據(jù)傳輸量大，實(shí)時(shí)性要求高，工作量大；而且子系統(tǒng)增加了模擬飛行過程中壓力高度控制開關(guān)信號(hào)的抖動(dòng)測試功能，增加了對(duì)回收控制器進(jìn)行可重復(fù)連續(xù)的可靠性測試功能的功能。

2）環(huán)境壓力模擬子系統(tǒng)。環(huán)境壓力模擬器主要是在模擬精度以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適用性方面做出較大的改進(jìn)和提高，采用了可靠性更高、功率更大的真空泵以及更高精度的測量和控制傳感器，對(duì)壓力容腔接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可適用于不同型號(hào)壓力高度控制開關(guān)和壓力容腔的壓力環(huán)境模擬。

3）回收動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)。根據(jù)月球取樣返回器回收系統(tǒng)的工作過程和故障模式建立相應(yīng)模型和編制相關(guān)程序，增加艙傘組合體與傘艙蓋和艙蓋傘組合體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊的分析，利用空投試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)和程控自動(dòng)測試、I/O子系統(tǒng)以及壓力環(huán)境模擬子系統(tǒng)的通訊部分進(jìn)行相應(yīng)的模塊編制。另外，載人飛船回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的曲線顯示子系統(tǒng)的功能在月球取樣返回器回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)中被完全移植到回收動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)。

4）可視化子系統(tǒng)。根據(jù)月球取樣返回器回收系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行相關(guān)實(shí)體模型和動(dòng)作時(shí)序的改進(jìn)和調(diào)整。

2 回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

月球取樣返回器的回收半實(shí)物仿真動(dòng)力學(xué)模塊的實(shí)現(xiàn)依據(jù)分層建模思想，仿真框架包含 4個(gè)層次：基礎(chǔ)層、專業(yè)層、特化層、交互層，動(dòng)力學(xué)仿真類庫結(jié)構(gòu)如圖4所示?；A(chǔ)層是在各仿真領(lǐng)域完全通用的算法；專業(yè)層則封裝了在降落傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域通用的模型和算法；特化層在前兩層之上加入了具體系統(tǒng)模型的特點(diǎn)；交互層為最頂層，主要完成與用戶的交互工作。各個(gè)層次也采用分層設(shè)計(jì)，每層又分為若干子層。利用面向?qū)ο蠓椒ㄖ欣^承的概念，可以在子層的類庫加入新的仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)仿真框架的擴(kuò)充[9-10]。

圖4 動(dòng)力學(xué)仿真類庫結(jié)構(gòu)Fig.4 The configuration of class libraries for dynam ic simulation

利用開發(fā)的仿真類庫，將月球取樣返回器正常返回流程進(jìn)行分階段建模，可以開發(fā)出其整個(gè)回收過程和設(shè)定回收流程的動(dòng)力學(xué)仿真程序，正常情況下月球取樣返回器回收系統(tǒng)工作流程，如圖5所示。

圖5 回收系統(tǒng)工作流程Fig.5 Thework flow of recovery system

3 仿真結(jié)果試驗(yàn)

在完成月球取樣返回器回收半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研制工作后，需要對(duì)系統(tǒng)的仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證分析。限于篇幅，本文主要列出于2013年12月份針對(duì)月球取樣返回器回收系統(tǒng)進(jìn)行的3個(gè)典型架次空投試驗(yàn)的主傘開傘力峰值以及1個(gè)架次的主傘開傘力、高度、速度和擺角隨時(shí)間變化的驗(yàn)證對(duì)比分析。

表1是典型3個(gè)架次的開傘力峰值比較，由比較可知，仿真預(yù)測的主傘一級(jí)和二級(jí)開傘力峰值略偏大于實(shí)際測量值，但偏差在8%以內(nèi)，最小偏差僅0.3%，可認(rèn)為經(jīng)充氣模型修正后，主傘的開傘力預(yù)測精度基本滿足任務(wù)設(shè)計(jì)需求。

表1 開傘力峰值的驗(yàn)證Tab.1 Validation of peak value of parachute opening force

圖6是典型架次的主傘開傘力、高度、速度和擺角的仿真計(jì)算結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證，由圖可以看出，在開傘力和軌跡方面，仿真系統(tǒng)的預(yù)測精度比較高，完全可以滿足任務(wù)需求。而姿態(tài)方面，目前仿真預(yù)測的擺角幅度稍大于實(shí)測幅度約2o，預(yù)測擺動(dòng)周期低于實(shí)測擺動(dòng)周期1～2s。

在半實(shí)物仿真的正?；厥樟鞒讨校?列出關(guān)鍵指令的設(shè)計(jì)時(shí)序和實(shí)際指令時(shí)序的偏差，經(jīng)比較，半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真實(shí)時(shí)性完全可以滿足仿真需求。

表2 時(shí)序精度Tab.2 Precision of scheduling

圖7為半實(shí)物仿真返回器接近開傘點(diǎn)時(shí)取壓孔壓力變化，圖中期望壓力為回收著陸動(dòng)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，反饋壓力為環(huán)境壓力模擬裝置封閉容腔內(nèi)的模擬壓力。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(dòng)態(tài)精度、上升響應(yīng)速度都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)分析表明其反饋壓力與期望壓力的誤差一般不超過50Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓力高度控制器的工作誤差范圍。

圖7 返回器開傘點(diǎn)附近取壓孔壓力變化Fig.7 The pressure around the deploy time of lunar return spacecraft

4 結(jié)束語

本文從總體的角度介紹了針對(duì)我國探月工程三期中月球取樣返回器回收分系統(tǒng)開發(fā)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該半實(shí)物仿真系統(tǒng)可適用于各種回收工作模式下月球取樣返回器整個(gè)回收著陸過程的性能分析和研究，利用該試驗(yàn)平臺(tái)可開展大量的可重復(fù)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。月球取樣返回器回收分系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)不僅可以對(duì)返回器的整個(gè)回收過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和可視化輸出，對(duì)相應(yīng)回收過程的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，而且可為回收分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、回收飛行方案和壓力控制開關(guān)、程序控制器提供可視化仿真分析、評(píng)估、驗(yàn)證與自動(dòng)化測試技術(shù)支持，半實(shí)物仿真試驗(yàn)研究結(jié)果可為我國月球取樣返回器回收分系統(tǒng)的評(píng)定提供重要參考。

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