一種通用的航天器在軌分離設(shè)計方法

盛瑞卿，陳春亮，邢卓異，白崇延

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引 言

隨著空間探測任務(wù)的多樣化和復(fù)雜化，利用單個航天器實現(xiàn)多目標(biāo)、多功能的空間探測任務(wù)已成為航天技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，尤其在載人航天和深空探測任務(wù)中，許多航天器需要執(zhí)行在軌分離任務(wù)的同時還要求分離后多個艙段能夠正常運行。如一個艙段繼續(xù)在軌飛行，執(zhí)行遙感或其它科學(xué)探測任務(wù)，另一艙段則進入大氣或動力下降，完成著陸或巡視探測任務(wù)。

本文從航天器在軌分離時序設(shè)計的角度出發(fā)，重點考慮航天器在軌分離的可靠和安全。首先，要保證分離邏輯的可靠，從分離時序的角度出發(fā)即要明確分離后需要完成的任務(wù)，分析完成相應(yīng)任務(wù)所需要工作的設(shè)備。確認(rèn)完成后，保證可靠要解決的問題就是確保對應(yīng)設(shè)備能夠準(zhǔn)確可靠地獲取分離所觸發(fā)的信號，由此引申出分離信號的可靠配置以及分離信號的可靠邏輯判斷。

其次，為保證安全分離，避免兩艙段在分離后啟動運動姿態(tài)控制時發(fā)生碰撞，就需要設(shè)置合理的安全區(qū)域，確保在該安全區(qū)域中兩艙段均不會進行姿態(tài)機動，以保證分離的安全。由于兩艙段的分離速度取決于航天器所選用的彈簧分離裝置特性，當(dāng)彈簧分離裝置相關(guān)指標(biāo)明確后，也就確定了兩艙段的分離速度。因此，分離安全中要求確定安全區(qū)域的問題也就可以轉(zhuǎn)化為求解分離后兩艙段停止姿態(tài)機動的時間，即?？貢r間。

本文從上述問題出發(fā)，從分離信號的選型、典型任務(wù)配置、分離邏輯可靠設(shè)計、分離安全數(shù)學(xué)建模及其仿真等方面，解決兩艙段分離時序設(shè)計中的相關(guān)問題，確保航天器在軌安全、可靠實施分離。

1 航天器分離信號設(shè)計

1.1 航天器分離信號觸發(fā)形式

分離信號是確認(rèn)航天器在軌分離最直接、準(zhǔn)確的手段[1]。目前，航天領(lǐng)域常用的分離信號包括以下3類：

1）分離電連接器接點短接：在兩艙段間分離電連接器取一對接點，在連接器一側(cè)短接，插接后形成回路。連接器分離后斷開，可判斷分離狀態(tài)；

2）分離開關(guān)（行程開關(guān)）：以按鈕按壓或釋放的行程（距離）量，控制開關(guān)觸點的通斷或觸點轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電路的轉(zhuǎn)接，保證分離信號的輸出；

3）分離信號裝置：通常在艙段分離端面安裝分離開關(guān)受限的情況下，設(shè)計專用的分類信號裝置，安裝于艙段分離面的側(cè)方，工作原理與連接器短接相似。

表1給出了幾種分離信號的優(yōu)缺點比較。

表1 分離信號類別優(yōu)缺點對比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages with the different separation signal

1.2 典型任務(wù)配置

假定某一在軌航天器通過在特定軌道實施分離形成艙段1和艙段2，分離后艙段1繼續(xù)在軌探測、艙段2則再入大氣。分離前由艙段1實施航天器的在軌姿態(tài)控制，分離完成后由于任務(wù)需要艙段1、艙段2則需分別實施姿態(tài)控制以完成后續(xù)在軌探測和再入大氣的飛行任務(wù)。

要完成上述任務(wù)，首先艙段1和艙段2必須要有完成遙控指令接收處理和遙測參數(shù)采集發(fā)送功能的設(shè)備，用于根據(jù)分離信號啟動器上程控指令的執(zhí)行，如接通當(dāng)前艙段的接地開關(guān)、切換熱控工作模式等，稱之為系統(tǒng)管理單元（System Management Unit，SMU）。其次，艙段1和艙段2必須配置有完成相應(yīng)艙段后續(xù)巡視、再入任務(wù)的制導(dǎo)、導(dǎo)航控制裝置，用于根據(jù)分離信號啟動航天器的姿態(tài)控制，稱之為制導(dǎo)導(dǎo)航控制器（Guidance Navigation Control Controller，GNCC）。即艙段1和艙段2均需配置系統(tǒng)管理單元（SMU）和制導(dǎo)導(dǎo)航控制器（GNCC）以保證后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行[4]。

對于兩個艙段，均須真實反映在軌分離狀態(tài)，因此必須配置機械分離信號，如分離開關(guān)或分離信號裝置。為了確保任務(wù)的可靠性，配置多個機械分離信號進行冗余設(shè)計，是最為有效的一種手段。但由于目前航天器受重量限制的約束較為強烈，無法為每個艙段配置多個分離信號，以下仍從上述假設(shè)的具體任務(wù)出發(fā)，對兩個艙段的具體分離信號配置進行分析。

對于艙段1的飛行設(shè)計，通常考慮在分離前由地面通知GNCC停止控制，實施分離操作，等待兩航天器到達(dá)一定安全距離后，由GNCC自主啟動姿態(tài)控制。鑒于上述設(shè)計的考慮如下：

1）若兩艙段正常分離，則艙段1根據(jù)?？貢r間自主延時啟動后續(xù)控制，對航天器安全性無影響；2）若兩艙段未正常分離，為確保航天器在軌安全，需要艙段1能夠自主啟控，建立后續(xù)姿態(tài)，為故障處理預(yù)留時間。

鑒于上述分析，對于艙段1的GNCC設(shè)備而言，無須接收分離信號；僅需將分離信號引入SMU設(shè)備，用于地面遙測判讀監(jiān)視。

對于艙段2的飛行設(shè)計，通?？紤]在分離前GNCC始終處于等待狀態(tài)，直至確認(rèn)分離后才允許其自主啟動姿態(tài)控制。若艙段1和艙段2未分離，艙段2自主啟控，會導(dǎo)致在同一時刻兩個制導(dǎo)導(dǎo)航設(shè)備同時控制同一航天器，造成控制系統(tǒng)異常。因此，艙段2的GNCC必須配置分離信號。且由于艙段2后續(xù)需執(zhí)行再入任務(wù)，其大氣環(huán)境、測控條件等都會發(fā)生變化，因此需要SMU根據(jù)分離信號自主切換至系統(tǒng)相應(yīng)的工作模式上。

鑒于上述分析，對于艙段2，GNCC和SMU均需引入分離信號，用于器上狀態(tài)設(shè)置與姿態(tài)控制。

對于該典型任務(wù)，分離信號的精簡配置為艙段1的SMU、艙段2的SMU以及艙段2的GNCC至少需配置一路表征準(zhǔn)確機械分離的信號裝置?？紤]分離信號是觸發(fā)后續(xù)程控的重要條件，為每個設(shè)備配置兩路表征準(zhǔn)確機械分離的信號裝置是有效的冗余方式。但鑒于重量要求的約束，采用電分離信號短接與機械分離信號裝置（分離開關(guān)或分離信號裝置）相結(jié)合的方式則是兼顧重量與可靠性要求的合理配置。

因此，從可靠的角度出發(fā)，為該典型任務(wù)配置的分離信號如表2所示。其中，分離開關(guān)/分離信號裝置的選擇可依據(jù)艙段框面結(jié)構(gòu)進行選擇。

表2 分離信號典型任務(wù)配置Table 2 A typical task allocation of the separation signals

2 分離邏輯設(shè)計

在合理配置完各設(shè)備所須的分離信號后，則需要針對多個分離信號進行合理的邏輯判斷，以最終正確表征分離。以下仍針對上述典型任務(wù)，給出各設(shè)備對應(yīng)的分離判斷邏輯。

對于艙段1中的SMU，共采集2路分離電連接器短接給出的信號和2路分離開關(guān)/分離信號裝置給出的信號。其中，定義分離電連接器短接產(chǎn)生的信號為信號1-①、信號1-②，分離開關(guān)/分離信號裝置給出的信號為信號1-③、信號1-④。艙段1的SMU分離邏輯判斷公式為：

艙段1-SMU分離有效=（信號1-①|(zhì)|信號1-②）&（信號1-③||信號1-④）

即艙段1的SMU采集到任一電分離連接器產(chǎn)生的分離信號有效，且采集到任一機械分離信號有效時，才判定兩艙段可靠分離。

對于艙段2中的兩臺設(shè)備，其中SMU共采集2路分離電連接器短接給出的信號和2路分離開關(guān)/分離信號裝置給出的信號，同時接收艙段2中的GNCC轉(zhuǎn)發(fā)的分離信號；GNCC共采集2路分離開關(guān)/分離信號裝置給出的信號，同時接收艙段2中的SMU轉(zhuǎn)發(fā)的分離信號。即SMU共接收5路分離信號，GNCC共接收4路分離信號。具體信號如表3所示。

表3 艙段2設(shè)備接收分離信號匯總Table 3 The collection of the received separation signal with the facilityof module 2

其中，SMU接收到的GNCC轉(zhuǎn)發(fā)信號2-A、GNCC接收到的SMU轉(zhuǎn)發(fā)分離開關(guān)/分離信號裝置信號2-B、GNCC接收到的SMU轉(zhuǎn)發(fā)分離電連接器信號2-C分別定義如下：

信號2- A =信號2-⑤&信號2-⑥

信號2-B = 信號2-③&信號2-④

信號2-C = 信號2-①&信號2-②

即對于需要轉(zhuǎn)發(fā)的信號，必須是采集到的兩路信號均有效才能轉(zhuǎn)發(fā)，以保證信號轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

由表3可知，艙段2中的SMU和GNCC所接收到的信號均可劃分為3類，因此，對于SMU和GNCC的邏輯判斷準(zhǔn)則即為3類信號中的任2類信號有效，即判定兩艙段分離。其中，該類別中含有兩路信號的只要有一路信號有效即認(rèn)定該類信號有效。信號處理定義如下：

信號2-D = 信號2-① || 信號2-②

信號2-E = 信號2-③ || 信號2-④

信號2-F = 信號2-⑤ || 信號2-⑥

則艙段2中的SMU信號有效即為信號2-D、信號2-E、信號2-A3個信號進行“三取二”邏輯判斷、GNCC信號有效即為信號2-F、信號2-B、信號2-C這3個信號進行“三取二”判斷。

3 分離安全數(shù)學(xué)建模

為保證安全分離，避免兩艙段在分離后啟動運動姿態(tài)控制時發(fā)生碰撞，就需要設(shè)置合理的安全區(qū)域，確保在該安全區(qū)域中兩艙段均不會進行姿態(tài)機動，以保證分離的安全。在兩艙段的分離速度確定的前提下，分離安全的問題中要求確定安全區(qū)域的問題也就可以轉(zhuǎn)化為求解分離后兩艙段停止姿態(tài)機動的時間，即?？貢r間。

容易得到

分離后艙段1飛行速度

分離后艙段2飛行速度

由下列公式可以得出艙段1和艙段2分離后的軌道根數(shù)

上述各式中，下標(biāo)k=1、2，分別表示艙段1和艙段2對應(yīng)的軌道根數(shù)。

艙段1和艙段2單獨飛行?t后，艙段1位置和艙段2位置可以由下列公式計算得到

上述各式中，下標(biāo)k=1、2，分別表示艙段1和艙段2單獨飛行?t后對應(yīng)的軌道根數(shù)和位置矢量。艙段1和艙段2單獨飛行?t后，艙段1和艙段2的相對距離變化

對于已知的艙段1和艙段2的質(zhì)量、分離速度，可根據(jù)式（1）～（15），計算得到艙段1和艙段2相對距離隨時間的變化曲線。

確保艙段2分離的安全性判據(jù)為：

分別根據(jù)公式（16）和公式（17），可以得到在合理安全距離下兩艙段的單獨飛行時間，即保證安全分離的?？貢r間。

4 仿真分析結(jié)果

設(shè)定某在軌航天器在月地轉(zhuǎn)移軌道上距地高度約為6 000 km處實施分離，分離速度為0.6 m/s，分離速度方向與飛行速度方向垂直，分離后的兩艙段的相對質(zhì)量分別為M1=400 kg 、M2=1 200 kg，由式（1）～（15）可以計算得到兩艙段相對距離隨時間變化情況，如圖1所示。

圖1 分離后兩艙段的相對距離變化（零時刻為分離時刻）Fig.1 The relative distance change （the zero time is the separation time）of two modules after separation

據(jù)圖1，分離后3 s兩艙段的相對距離為1.80 m，大于艙段1最大尺寸包絡(luò)max(L1,W1,H1)=1.5 m的要求，艙段1可以啟控；分離后4 s兩艙段的相對距離為2.40 m，大于艙段2最大尺寸包絡(luò)max(L2,W2,H2)=2.3 m的要求，艙段2可以啟控。

5 結(jié) 論

本文以飛行時序設(shè)計為出發(fā)點，從保證分離信號可靠性的角度提出了一種典型的分離信號配置與通用的分離信號觸發(fā)控制邏輯，從分離過程安全性的角度，建立了航天器在軌分離安全性數(shù)學(xué)模型，并開展了仿真分析。

該方法已成功應(yīng)用于某一重大專項在軌飛行任務(wù)，確認(rèn)了方法的可行性和正確性，可以作為后續(xù)航天任務(wù)的參考。