載人飛船回收著陸半實物仿真系統關鍵技術研究

郭叔偉程文科郭 鵬董楊彪秦子增

（1海軍飛行學院，葫蘆島 125001

（2國防科技大學航天與材料工程學院，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的安全可靠性，需要對回收系統進行大量的計算分析、地面試驗及空投試驗，以充分考核回收系統對各種環境條件下的適應性，驗證相關設計的合理性。由于經費和時間等各種條件限制，載人飛船回收著陸過程空投試驗次數有限，難以對多種回收模式、各種環境條件下的系統工作性能進行全面充分的考核，且有些試驗也無法實現，有相當部分的試驗條件無法滿足，如氣動偏差、大氣環境偏差和各種特殊返回狀態等，而純粹的數值仿真無法實時考核相關核心設備的工作狀態和性能。為了充分測試和分析在各種工作模式下回收系統的性能，驗證關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的半實物仿真平臺。

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

與普通飛行器六自由度動力學半實物仿真系統[2]相比，載人飛船回收著陸半實物仿真系統平臺不僅包含了實時控制、視景顯示、實時仿真算法等技術，還具有其獨有特點和需要解決的關鍵技術，如負壓環境模擬、多通路指令信號采集和激勵、混合式網絡以及多階段多模型動力學仿真框架技術。

2 載人飛船回收著陸半實物仿真系統介紹

載人飛船回收著陸半實物仿真系統一共為6個部分，分別是回收著陸動力學仿真子系統、程控自動測試與I/O子系統、環境壓力模擬子系統、可視化子系統、數據顯示子系統和回收程序控制裝置，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 載人飛船回收著陸半實物仿真系統結構框圖

載人飛船回收著陸半實物仿真系統運行過程如下：1）回收著陸動力學仿真子系統計算出返回艙、各種降落傘的動力學數據，返回艙取壓點壓力值以及其他相關數據，向環境壓力模擬子系統發出壓力數據，擇機向回收程控裝置發出激勵指令，每一仿真步長內讀取I/O子系統發送的相關指令；2）環境壓力模擬子系統循環讀取壓力數據，根據壓力數據實時模擬壓力環境；3）回收程控裝置根據壓力控制信號、接收的激勵指令和控制流程，向回收著陸動力學仿真子系統發出相關指令；4）回收著陸動力學仿真子系統根據相關指令更新動力學模型，并進行實時計算；5）數據顯示子系統和可視化子系統實時讀取相關數據，同步顯示動力學數據和可視化姿態。

保證系統仿真精度和順利進行的關鍵點在于：高精度快速調節的壓力模擬、有效的指令數據的采集和激勵、依據指令迅速有效的改變動力學模型的仿真框架、滿足實時仿真的通信網絡。

3 系統關鍵技術研究

3.1 返回再入壓力環境模擬技術

載人飛船回收著陸系統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飛行性能的影響，則是回收系統設計的重要研究內容。環境壓力模擬裝置加入到回收著陸半實物仿真系統，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，研究返回艙的運動狀態對靜壓高度控制器工作性能的影響，驗證靜壓高度控制器壓力閾值設置的合理性。

環境壓力模擬子系統的研究內容可分為兩部分：1）計算返回艙回收過程中取壓點的壓力變化，為此需要計算返回艙取壓孔附近壓力系數[3]；2）環境壓力模擬設備研制，將取壓孔置于密閉容器內，通過調節密閉容器的真實壓力達到壓力模擬的目的，其實時調節精度和速度應達到載人飛船回收著陸半實物仿真平臺的要求。

在返回艙取壓孔附近壓力系數數值計算研究內容中，首先開展典型工況的風洞試驗與CFD（Computational Fluid Dynamics）數值計算，通過二者比較驗證，對CFD數值計算的模型進行修正。采用修正以后的計算模型對所有工況進行CFD數值計算，獲得取壓孔的壓力特性隨攻角、側滑角、速度、高度等變化關系，如圖2所示。

圖2 取壓孔處壓力修正系數計算過程

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

圖3 環境壓力模擬器工作原理

環境壓力模擬裝置基本工作流程是：在每個采樣周期，由動力學仿真計算機將計算的總壓信息（期望壓力）發出，通過光纖反射內存卡映射到環境壓力控制計算機，工控機通過比較期望壓力與高精度壓力傳感器感應的封閉容腔（即飛船上取壓盒）內壓力之差，根據工控機內的控制程序，發出控制信號，經過數模轉換卡信號轉換后，輸出到伺服放大器，驅動電/氣伺服裝置（主要是電氣比例閥）運動，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）內壓力，實現封閉容腔內壓力的實時、高精度、快速調節響應。

圖4為一次半實物仿真返回艙接近開傘點時取壓孔壓力變化，圖中期望壓力為回收著陸動力學仿真子系統向環境壓力模擬子系統發送的壓力值，模擬壓力為環境壓力模擬裝置封閉容腔內的真實壓力。從圖中可以看出，環境壓力模擬裝置的壓力控制響應速度、穩態精度、動態精度、上升響應速度都在設計范圍內，其模擬壓力與期望壓力的誤差一般不超過50Pa，遠遠小于靜壓高度控制器的工作誤差范圍。

圖4 返回艙接近開傘點時取壓孔壓力變化

3.2 多通路指令信號處理技術

在載人飛船回收著陸半實物仿真系統中，被測硬件實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、滿足仿真實時性需求和功能需要，在半實物仿真系統中，專門設置了I/O子系統來處理信號采集和激勵，I/O子系統主要分為上位機和下位機，如圖5所示。上位機負責與仿真主機的通信、整個I/O子系統的數據管理、回收程控裝置自動和手動測試軟件、以及與下位機通信；下位機負責采集回收程控裝置的指令信號以及將指令向上位機轉發，同時也根據上位機的通信信號向回收程控裝置發出各種激勵信號。

圖5 I/O子系統組成及結構

為了實現I/O子系統的功能設計需要，達到實時仿真精度需求以及確?；厥粘绦蚩刂蒲b置的安全性，I/O子系統采用了如下技術手段以保證系統達到半實物仿真要求：

1）光電隔離技術。下位機與回收程序控制硬件之間的信號激勵和數據采集經光電隔離，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）滿足實時仿真需求的高速高效網絡通信，在I/O子系統中存在兩個網絡通信：下位機與上位機串口通信、上位機與仿真主機的以太網通信，為了保證半實物仿真實時的需要，對I/O子系統中的兩個網絡通信提出較高的要求。下位機和上位機采用RS-232串口通信協議進行數據交互，其中關鍵點是下位機采集指令的發生時機和指令編排方案。下位機指令發送時機采用兩種模式同時進行：一種是一定間隔的定時發送；另一種是根據指令變化觸發式發送。該兩種模式即保證了串口通信的正常測試和監控，又使采集到指令后的傳輸延遲時間縮短。上位機與仿真主機的網絡通信是基于TCP/IP以太網通信，其網絡技術指標滿足仿真精度需求。

3.3 半實物仿真混合式網絡技術

實時數據傳輸和通信是半實物仿真系統的支撐技術，而實時通信網絡通常采用基于高速網絡的共享儲存器技術實現[4-5]。在載人飛船回收著陸半實物仿真系統中，為了保證仿真精度和實時需求，對于一些關鍵數據傳輸，均采用了共享儲存器技術；而對于一些實時要求不高的數據傳輸采用了擴展性較好、成本低的以太網通信方式。因此，整個載人飛船回收著陸半實物仿真系統采用了混合式網絡結構，即同時采用了共享儲存器和以太網通信技術。

載人飛船回收著陸半實物仿真數據流向、網絡數據通信需求和擬用網絡或設備如表1所示。其中，仿真主機（承載回收著陸動力學仿真子系統）和環境壓力模擬計算機、仿真主機與I/O接口計算機之間的數據通信，在整個載人飛船回收著陸半實物仿真系統實時網絡中要求最高，也最為重要。

表1 載人飛船回收著陸半實物仿真系統網絡設備指標說明

回收著陸動力學仿真子系統的仿真步長一般設定為2～10ms，經實際測驗，仿真過程中系統采用以太網通信方式，單位時間內，回收著陸仿真主機和I/O子系統之間的以太網數據通信量不到100Mbps以太網總容量的1%，其數據通信時間間隔為仿真步長，而I/O子系統指令要求的網絡延時為百毫秒量級。有資料[6]表明，并經實際測試，此類通信量和通信模式的以太網絡數據通信延遲一般在1ms以下，遠遠小于數據通信時間間隔和I/O子系統指令網絡時延的要求，因此，采用以太網的通信方式能夠滿足回收著陸動力學仿真子系統和I/O子系統之間的數據通信需要。與此同時，采用以太網通信方式有利于提高仿真節點的擴展性，便于各種仿真的調試和運行，如在普通微機上可迅速移植I/O節點、可視化節點和數據顯示節點。

在載人飛船回收著陸半實物仿真過程中，環境壓力模擬子系統需要根據接到的環境壓力期望值進行壓力調節，其調節過程需要一定的時間。因此，希望回收著陸動力學仿真子系統與環境壓力模擬子系統之間的數據通信延遲越短越好，以便留給壓力模擬設備充足的調節時間，共享儲存器通信技術的數據傳輸延遲一般在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模型，如減速傘充氣工作段包含返回艙動力學模型、減速傘充氣動力學模型、單點吊掛約束模型等。再考慮到載人飛船回收著陸系統包含的備份傘系統動力學模型，整個載人飛船回收全過程的動力學模型數量非常大，且每次動力學模型轉換時的參數傳遞和環境參數加載也比較復雜，因此如果按照傳統的建模方式構建仿真框架，整個載人飛船回收著陸動力學仿真框架流程復雜，編程工作量很大，且容易出錯。

考慮到半實物仿真平臺的實時性，程序的可擴展性等需求，有必要在對載人飛船回收動力學模型進行歸納和總結的基礎上，建立比較通用和高效率的降落傘動力學仿真框架，以適應載人飛船回收著陸半實物仿真試驗平臺的多項指標要求。在借鑒前人的降落傘系統動力學分層建模思想[7]和應用面向對象編程方法的基礎上，充分考慮到載人飛船回收著陸半實物仿真試驗平臺的特點，構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構

圖7 基元模型的分解

模型構建的關鍵點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，利用面向對象方法，以統一的接口將相關基元模型連接在一起，形成某個運動階段的動力學模型，如圖7所示，圖中分別建立了傘、傘包、返回艙動力學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模型。在運動階段和階段模型發生改變時，如主傘單點吊掛轉換成雙點吊掛，只需關閉和激活相關基元模型（包括動力學微分基元和約束基元），更新個別特殊參數，而大部分基元模型的參數基本保持不變，其階段模型轉換過程類似堆積木，簡單而形象，使整個仿真框架層次分明，模型轉換方便而清晰，避免了重復的參數傳遞。

在仿真框架中，構建了統一的模型連接接口，不僅使一系列基元模型能夠準確的連接在一起，還能使動力學階段模型改變時能夠方便，快速地更新模型，以適應半實物仿真實時的需求。

4 結束語

本文就載人飛船回收著陸半實物仿真系統特有的關鍵技術進行了深入研究。首先，為了實時模擬飛船返回過程返回艙取壓孔的環境壓力，研制出了環境壓力模擬裝置，該設備采用了高精度傳感器、先進的控制系統、雙真空罐等技術手段進行壓力調節，從最后仿真結果來看，其壓力控制穩態精度和動態響應速率等關鍵性能指標均能滿足半實物仿真的需要；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、指令定時和觸發式雙重發送機制，保證了設備的安全性和仿真的實時性；為了保證半實物仿真的實時性和仿真節點的擴展性，在關鍵數據通信上采用了實時性好的共享存儲器技術，在實時性要求低的數據通信上選用了擴展性好的以太網通信，達到設備性能的最優化；最后，根據飛船返回過程的多個運動階段和多種動力學模型，開發了基于分層建模和面向對象的仿真框架，簡化了仿真建模的難度，提高了整個仿真系統的通用性。

[1]郭叔偉，董楊彪，王海濤，等.載人航天器回收著陸半實物仿真系統研究[J].系統仿真學報，2010，22（3）：621-625.

[2]徐德華.實時半實物仿真系統關鍵技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士論文，2005.

[3]劉威，秦子增，夏剛，等.飛船返回艙環境壓力模擬裝置的實驗研究[J].航天返回與遙感，2008，29（2）：1-6.

[4]高立娥，康鳳舉，王彥愷.一種基于反射內存實時網絡的半實物仿真系統[J].計算機仿真，2005，22（3）：621-625.

[5]蒲源，王仕成，劉志國，等.VMIC-SBS網絡接口系統研究[J].計算機仿真，2008，25（5）：37-39.

[6]廖英，梁加紅.實時仿真理論與支撐技術[M].長沙：國防科技大學出版社，2002.

[7]宋旭民，彭勇，程文科，等.大型降落傘系統回收過程動力學建模[C].首屆全國航空航天領域中的力學問題學術研討會，北京，2004.