基于航天員自主識別與控制的回收著陸模式研究

彭華康 黃震 賈世錦 張方 邵立民

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基于航天員自主識別與控制的回收著陸模式研究

彭華康1,2黃震2賈世錦2張方1邵立民2

（1 南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京 210016）（2 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

為解決由于載人飛船回收著陸分系統(tǒng)自身故障導(dǎo)致無法啟動回收著陸工作程序的問題，文章提出了一種基于航天員自主識別、判斷和控制的回收著陸新模式。首先從手動控制工效學(xué)、航天員主觀識別和判斷的參考物以及手控指令發(fā)送的時機等三方面進(jìn)行了可行性探討，然后分析了工程實現(xiàn)的技術(shù)路徑。結(jié)果表明：航天員可通過載人飛船儀表系統(tǒng)顯示和語音播報的途徑獲取返回艙返回過程中的關(guān)鍵時間點信息，通過親身感受返回艙有無彈蓋開傘時的振動沖擊、脈沖噪聲和過載來判斷返回艙是否完成了彈蓋開傘動作；同時在天氣晴朗時通過舷窗進(jìn)行對地觀測可初步估計返回艙離地高度；當(dāng)判斷回收著陸分系統(tǒng)自身故障無法啟動回收著陸工作程序時，航天員可以進(jìn)行手動控制發(fā)送手控指令以啟動回收著陸工作程序。這種新模式不影響現(xiàn)有回收著陸工作程序的執(zhí)行，可以消除回收著陸分系統(tǒng)自身故障導(dǎo)致無法啟動回收著陸工作程序的風(fēng)險，提高了彈蓋開傘的可靠性。

航天員 自主識別和控制 手動控制 回收著陸

0 引言

回收著陸分系統(tǒng)是載人飛船關(guān)鍵分系統(tǒng)之一[1]，其功能是利用降落傘的氣動阻力對進(jìn)入地球大氣層的返回艙進(jìn)行減速，著陸前進(jìn)一步采用反推發(fā)動機進(jìn)行緩沖，最終實現(xiàn)航天員的軟著陸[2]。目前載人飛船現(xiàn)有的回收著陸工作模式都是自主控制[3]，當(dāng)載人飛船平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電后，無需地面或航天員干預(yù)，分系統(tǒng)能夠自主判斷載人飛船返回的工作狀態(tài)、選擇并啟動相應(yīng)的工作程序、執(zhí)行相應(yīng)的彈蓋、開傘等動作。

本文提出了一種新的回收著陸模式，能夠在載人飛船正常返回（包含應(yīng)急返回）回收著陸分系統(tǒng)自身故障無法啟動回收著陸工作程序時，由航天員手動控制發(fā)送指令啟動回收著陸工作程序。這種新的回收著陸模式可以充分發(fā)揮航天員的主觀能動性，由航天員自主識別、判斷并手動控制啟動回收著陸工作程序。本文首先分析了載人飛船現(xiàn)有回收著陸工作模式的特點，然后對提出的新模式進(jìn)行了可行性探討，分析了技術(shù)路徑，最后提出了后續(xù)工程實現(xiàn)需研究的具體問題。本文提出的回收著陸新模式具有一定的工程應(yīng)用參考價值。

1 現(xiàn)有回收著陸模式分析

1.1 工作模式設(shè)置情況

載人飛船設(shè)置了正常返回、中空救生和低空救生3種基本的工作模式[2-4]，每種工作模式對應(yīng)一個工作程序。另外在這3種工作模式基礎(chǔ)上，還設(shè)置了多種回收著陸分系統(tǒng)自身故障情況下的工作模式[5-6]。中空救生和低空救生工作模式是為載人飛船在發(fā)射上升段（包括零高度逃逸）、應(yīng)急救生狀態(tài)下而設(shè)置的，分系統(tǒng)自身故障情況下的工作模式是為了提高分系統(tǒng)工作的可靠性和安全性所設(shè)置的。

1.2 開傘控制分析

航天器回收中常用的開傘控制方法主要有[7-11]：純時間控制法、過載—時間控制法、靜壓高度控制法、雷達(dá)高度控制法和自適應(yīng)過載控制法。為適應(yīng)各種返回和救生狀態(tài)，且能比較精確的按預(yù)定高度控制開傘，載人飛船除在低空救生時采用純時間控制法外，其他回收著陸工作模式均使用靜壓高度控制法[12]。目前對于地球大氣環(huán)境具有較好的認(rèn)識，大氣壓隨高度的變化情況或規(guī)律已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。靜壓高度控制法是利用大氣靜壓和高度的對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合風(fēng)洞試驗獲取的返回艙返回過程中運動狀態(tài)對取壓孔處動壓的影響規(guī)律，可以比較精確地控制開傘高度。載人飛船使用的開傘高度控制裝置設(shè)置了三個高度控制點，每個高度控制點使用一組高度開關(guān)，均采用“三取二”冗余措施發(fā)信號[5]，當(dāng)一組高度開關(guān)故障無法發(fā)送信號時，另外一組高度開關(guān)接通后將繼續(xù)發(fā)送信號以保證工作可靠。

1.3 開傘啟動條件分析

載人飛船在低空救生時由于彈道高度低、著陸時間短而采用純時間控制法啟動回收著陸程序外，其他回收著陸工作模式均使用靜壓高度控制法，開傘啟動條件之一均包含開傘高度控制裝置的高度控制點正常接通。

1.4 開傘高度控制裝置故障分析

當(dāng)開傘高度控制裝置發(fā)生故障，無法發(fā)出高度信號時，現(xiàn)有的回收著陸工作程序除低空救生外均將無法啟動。開傘高度控制裝置使用的三組高度控制開關(guān)工作原理相同，均通過外界壓力的變化來驅(qū)動觸點開關(guān)的接通。由于三組高度開關(guān)使用返回艙側(cè)壁同一大氣靜壓取壓孔且工作原理相同，當(dāng)一組高度開關(guān)出現(xiàn)故障時，其余高度開關(guān)發(fā)生故障的可能性還是存在的。

本文提出的由航天員手動控制啟動回收著陸工作程序的新模式，無需開傘高度控制裝置參與，可以有效排除開傘高度控制裝置所有高度開關(guān)失效導(dǎo)致無法啟動回收著陸工作程序的風(fēng)險。

2 可行性探討

在返回著陸段飛行過程中，航天員能否有效地手動控制啟動回收著陸工作程序，影響的主要方面有：1）返回過程中航天員手動控制是否滿足工效學(xué)要求，能否執(zhí)行發(fā)送手控指令動作；2）是否有可靠的供航天員主觀識別和判斷的參考物，輔助航天員進(jìn)行判斷；3）手控指令發(fā)送的時機如何選擇，是否滿足開傘條件。

2.1 手動控制工效學(xué)分析

返回過程中，航天員臥躺于返回艙座椅組件內(nèi)，座椅束縛帶已綁緊，航天員身體主干部分固定于座椅中，頭部可方便地觀察周圍狀態(tài)，借助儀表操縱棒可自由操作周圍儀表設(shè)備，回收著陸分系統(tǒng)的手控指令位于返回艙艙壁儀表設(shè)備和可移動的指令控制板上，臥躺于座椅中的航天員無需儀表操作棒的輔助，即可方便地進(jìn)行操作并發(fā)送手控指令。

在載人飛船現(xiàn)有的返回再入飛行程序中，為提高載人飛船平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電的可靠性，作為程序控制指令的備份手段之一，安排了航天員手動控制發(fā)送指令將平臺電源接入回收著陸分系統(tǒng)[2,5]。在載人飛船歷次載人返回飛行過程中，航天員均能順利通過操作儀表分系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送手控指令，執(zhí)行平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電的動作。由此可見，在返回過程中，返回艙內(nèi)航天員能夠手動操作儀表設(shè)備，手動控制情況滿足工效學(xué)要求。

2.2 航天員主觀識別和判斷的參考物分析

可輔助航天員主觀識別和判斷返回艙狀態(tài)的參考物主要有：

1）船上儀表分系統(tǒng)顯示器的顯示信息和語音播報提示；

2）彈蓋開傘時的振動沖擊、脈沖噪聲和過載；

3）航天員頭部附近的舷窗外景。

2.2.1 儀表顯示和語音輔助判斷

儀表分系統(tǒng)的兩塊液晶顯示器位于航天員座椅的正前方，仰臥于座椅中的航天員可清晰地查看顯示器中的顯示信息，在船載中央計算機的控制下，儀表顯示器和語音播報設(shè)備可以按照預(yù)定時間或條件顯示和播報返回艙相關(guān)信息，提醒航天員關(guān)注返回艙的狀態(tài)。例如在載人飛船高度控制開關(guān)即將接通和接通后，可通過儀表顯示和語音播報的方式提醒航天員返回艙的狀態(tài)。

2.2.2 振動沖擊、脈沖噪聲和過載輔助判斷

返回艙是否進(jìn)行了彈蓋開傘動作，艙內(nèi)航天員可通過主觀感受來直接辨別。傘艙蓋通過十多只火工彈射裝置安裝在傘艙法蘭上，彈射時所有火工裝置同時引爆，將傘艙蓋以一定的分離初速度彈出[2]，同時會產(chǎn)生振動沖擊載荷和振動脈沖噪聲，降落傘拉直充氣過程也會產(chǎn)生過載，艙內(nèi)航天員可直接接收傘艙蓋彈射時產(chǎn)生的振動沖擊載荷、脈沖噪聲和開傘時的過載。如果未開啟彈蓋開傘回收著陸程序，則航天員無法感受這些振動沖擊、脈沖噪聲和過載。所以傘艙蓋彈射時產(chǎn)生的沖擊載荷和振動脈沖噪聲以及降落傘充氣拉直時產(chǎn)生的過載，是艙內(nèi)航天員判斷有沒有發(fā)生彈蓋開傘的直接證據(jù)。

2.2.3 舷窗外景輔助判斷

返回艙II象限座椅頭部左側(cè)和IV象限座椅頭部右側(cè)均布置有透明的舷窗，艙內(nèi)II象限和IV象限航天員均可方便地通過舷窗進(jìn)行對外觀測。當(dāng)天氣晴朗時，航天員可通過透明舷窗來對地觀測，并粗略估計返回艙距離地面的高度；當(dāng)天氣不好云霧較多時，則很難實現(xiàn)對地觀測。

再入大氣層過程中，位于返回艙側(cè)風(fēng)面的舷窗玻璃雖然會經(jīng)歷一定的氣動加熱環(huán)境，但其透明性仍然較好。以載人飛船某次任務(wù)為例，返回艙落地后從艙內(nèi)通過舷窗往外觀察，兩側(cè)舷窗玻璃的透明性如圖1所示，除返回艙落地翻滾時舷窗外表面沾染了部分黃色沙土外，舷窗的整體透明性較好。所以返回艙在返回降落的過程中，當(dāng)天氣晴朗時艙內(nèi)航天員可通過舷窗對地面進(jìn)行觀測，并粗略地估計返回艙距離地面的高度。當(dāng)航天員觀察到返回艙距離地面較近，只有1~2km時，且一直未感受到彈蓋開傘產(chǎn)生的振動、沖擊和過載等載荷，航天員可果斷決策進(jìn)行手動控制啟動回收著陸工作程序。

圖1 載人飛船返回艙落地后的舷窗外景

2.3 手控指令發(fā)送時機和開傘分析

返回艙再入地球大氣層后降落至降落傘打開前，返回艙受到的氣動阻力和地心引力趨于平衡，返回艙下降速度基本穩(wěn)定，下降速度維持在200m/s左右[2,13,14]，隨著高度的降低，大氣密度逐漸增加，降落傘受到的氣動阻力會逐漸變大，返回艙將逐漸減速?，F(xiàn)有的回收著陸工作程序中，返回艙彈蓋開傘的最早時間發(fā)生在高度控制裝置正常工作第一組高度開關(guān)接通后，此時返回艙距離地面的高度約10km左右[2,4,15]；返回艙彈蓋開傘的最晚時間發(fā)生在高度控制裝置故障工作第三組高度開關(guān)接通后，此時第一組和第二組高度開關(guān)全部故障無法接通，返回艙距離地面的高度約5km左右。

假設(shè)載人飛船回收著陸分系統(tǒng)具備距離地面高度1km左右的開傘能力并保證以安全速度著陸，則返回艙從5km降落至1km之間的任意時刻是航天員發(fā)送手控指令的最佳時機。這個時間段避開了現(xiàn)有回收著陸模式中最晚的彈蓋開傘時刻，所以是不影響現(xiàn)有回收著陸程序正常工作的。極端情況下，當(dāng)開傘高度控制裝置三組高度開關(guān)全部失效時，回收著陸工作程序均將無法啟動，降落傘也將無法打開，此時航天員進(jìn)行手動控制啟動回收著陸工作程序就顯得至關(guān)重要。

3 技術(shù)路徑分析

載人飛船已經(jīng)成功飛行并返回地面十一次，歷次飛行任務(wù)中返回艙高度控制裝置均正常工作，都在第一組高度開關(guān)接通時，開啟了回收著陸工作程序。故障工作情況下第一組高度開關(guān)故障、第二組高度開關(guān)接通啟動回收著陸工作程序，以及第一組第二組高度開關(guān)均故障、第三組高度開關(guān)接通啟動回收著陸工作程序的情況，在實際飛行任務(wù)中都沒有發(fā)生，無法得到故障情況下的實測數(shù)據(jù)。在彈蓋開傘前的返回再入飛行段末期，飛行程序中均安排了載人飛船平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電[5]，通過統(tǒng)計和分析歷次飛行任務(wù)中載人飛船平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電后第一組高度開關(guān)接通的時間，結(jié)合故障模式下第一組高度開關(guān)失效、第二組高度開關(guān)接通，以及第一組第二組高度開關(guān)均失效、第三組高度開關(guān)接通的仿真計算結(jié)果，可獲取回收著陸分系統(tǒng)供電后第一組高度開關(guān)正常接通的統(tǒng)計時間，以及故障工作模式下第二組高度開關(guān)和第三組高度開關(guān)接通的計算值。將這些時間安排在載人飛船平臺飛行程序中，通過儀表顯示和語音系統(tǒng)播報的方式，提醒航天員及時知悉這些關(guān)鍵的時間節(jié)點。航天員可根據(jù)這些時間節(jié)點的提醒，通過親身感受返回艙彈蓋開傘時產(chǎn)生的振動沖擊、脈沖噪聲和過載載荷，可自主識別并判斷返回艙是否完成了彈蓋開傘動作。天氣晴朗時通過舷窗對地面進(jìn)行觀測，航天員可初步估計返回艙距離地面的高度，當(dāng)距離地面很近直至1~2km時且一直未感受到彈蓋開傘相關(guān)動作，此時航天員可決策發(fā)送手控指令啟動回收著陸程序。通過以上分析，如果在理論計算的最晚彈蓋開傘時間點即第三組高度開關(guān)接通之后還未彈蓋開傘，航天員可手動控制發(fā)送指令，啟動回收著陸工作程序，具體技術(shù)路徑如圖2。

圖2 航天員手動控制啟動回收著陸工作程序技術(shù)路徑

當(dāng)載人飛船平臺給回收著陸分系統(tǒng)供電后，船載中央計算機設(shè)置零時（=0s）并開始計時，在統(tǒng)計的第一組高度開關(guān)接通時間點（1）通過儀表系統(tǒng)顯示和語音播報的方式，提醒航天員注意第一組高度開關(guān)即將接通，當(dāng)航天員能夠親身感受到彈蓋開傘產(chǎn)生的振動沖擊、脈沖噪聲和開傘過載時，說明回收著陸工作程序正常啟動，航天員無需參與后續(xù)回收著陸流程；當(dāng)航天員未能感受到上述載荷環(huán)境時，說明第一組高度開關(guān)未能啟動回收著陸程序，則繼續(xù)等待第二組高度開關(guān)接通，同時航天員開始通過舷窗對地面進(jìn)行觀測，觀察返回艙距離地面的高度。在計算的第二組高度開關(guān)接通時間點（2）儀表系統(tǒng)顯示和語音播報第二組高度開關(guān)即將接通后，當(dāng)航天員能夠親身感受到上述載荷環(huán)境時，說明第二組高度開關(guān)啟動了回收著陸工作程序，航天員無需參與后續(xù)回收著陸流程。否則，航天員繼續(xù)等待第三組高度開關(guān)接通，同時繼續(xù)通過舷窗對地面進(jìn)行觀測并預(yù)估返回艙距離地面的高度。在計算的第三組高度開關(guān)接通時間點（3），當(dāng)儀表顯示和語音播報第三組高度開關(guān)即將接通后，若航天員仍未能感受到彈蓋開傘產(chǎn)生的振動沖擊、脈沖噪聲和開傘過載時，說明高度控制裝置均失效，在外界不介入的情況下，回收著陸工作程序?qū)o法啟動，此時在儀表顯示與語音播報的提醒下，航天員應(yīng)立即進(jìn)行手動控制發(fā)送手控指令啟動回收著陸工作程序。如果航天員能夠感受到上述載荷環(huán)境時，說明回收著陸程序已啟動，航天員無需參與后續(xù)回收著陸流程。

本文提出的基于航天員自主識別與控制的回收著陸模式，是對回收著陸分系統(tǒng)高度控制裝置三組高度開關(guān)均未能啟動回收著陸程序故障情況下的一種補救和完善措施，不影響現(xiàn)有回收著陸工作程序的執(zhí)行，可進(jìn)一步提高彈蓋開傘的可靠性。

4 后續(xù)需研究的問題

要在工程上實現(xiàn)上述技術(shù)路徑，以下問題有待進(jìn)一步深入研究：

1）研究分析現(xiàn)有降落傘系統(tǒng)在低空1km左右高度開傘的適應(yīng)能力；

2）如何準(zhǔn)確地確定平臺儀表顯示和語音播報高度開關(guān)接通的時間起始點；

3）如何制定詳細(xì)的手動控制彈蓋開傘程序，防止航天員誤操作并不影響現(xiàn)有工作模式的執(zhí)行。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于航天員自主識別、判斷和控制的回收著陸新模式，可以消除載人飛船回收著陸分系統(tǒng)自身故障情況下無法啟動回收著陸工作程序的風(fēng)險，提高了彈蓋開傘可靠性，可作為后續(xù)進(jìn)一步完善載人飛船回收著陸故障模式的參考。

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Research on Model of Recovery and Landing Based on Autonomous Identification and Control by Astronaut

PENG Huakang1,2HUANG Zhen2JIA Shijin2ZHANG Fang1SHAO Limin2

（1 College of Aerospace Engineering, NUAA, Nanjing 210016, China）（2 Institute of Manned Space System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

In order to address failing problem to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault, a new model of recovery and landing for manned-spaceship based on autonomous identification, judgment and control by astronauts is proposed in this paper. Firstly, the feasibility of manual control ergonomics, the references for the subjective identification and judgment of astronauts and the timing of manual instruction are discussed, and then the technical path of engineering implementation is analyzed. The results show that the astronauts could obtain the critical time information during the return of the re-entry module through the instrument display and voice broadcast system of manned spaceship, and judge that whether the parachute bay cover is launched to deploy the parachutes or not through feeling the vibration impact, impulse noise and overload of parachute deployment, meanwhile preliminarily estimate the height of the re-entry capsule by earth observation through the porthole when the weather is clear. The astronauts can conduct manual control and send manual control instructions to start the recovery and landing procedure when judging that it is unable to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault. This new model does not affect the execution of existing recovery and landing procedures, which is able to eliminate the risk of failing to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault，and increase the reliability of launching parachute bay cover and deploying the parachutes.

astronaut; autonomous identification and control; manual control; recovery and landing

V525

A

1009-8518(2018)06-0030-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.004

2018-08-10

彭華康，男，1984年生，工程師，博士研究生。主要研究方向為載人航天器總體設(shè)計。E-mail：penghuakang@aliyun.com。

（編輯：劉穎）