空天飛行器質量特性設計方法研究

滿益明 吳俊輝 康軍 代京

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076)

本文研究的空天飛行器是一種集航空、航天技術于一體，兼有航空和航天功能，既能在軌執行任務又能在機場水平著陸的飛行器[1]，具有“按需進出空間、可承載多任務載荷、大范圍自主機動、高精度載荷部署、升力式無動力再入、水平著陸、多次重復使用”特點。空天飛行器質量特性(質量、質心位置、轉動慣量、慣量積等)是飛行器總體設計的重要依據和關鍵控制參數，與飛行器總體性能和技術指標密切相關，其設計與控制貫穿于空天飛行器全生命研制周期[2-7]。

傳統航天器的質量特性設計通常選取飛行任務剖面內的典型狀態開展計算分析，而對整個航天器飛行任務期間的質量特性缺少動態設計與分析。飛機的質量特性設計重點考慮質量特性對操縱性能和機動性能的影響，一方面關注大氣層內飛機質量特性(考慮燃油和乘客或貨物)、氣動布局與特性和飛控系統間的優化設計，另一方面強調長期運行經濟性[8-10]。空天飛行器全任務剖面包含地面運輸、推進劑加注、發射上升段、長期在軌運行期間各任務狀態、離軌過渡、初期再入、能量管理和進場著陸等7個階段，空間機構展開、收攏，輻射器展開、收攏，太陽電池陣展開、收攏，有效載荷在軌部署、回收等多種典型狀態，相比傳統航天器，空天飛行器質量特性的計算及技術狀態管理更為復雜。空天飛行器質量特性不僅需滿足發射、長期在軌運行、空間機構與有效載荷動態變化等典型工況需求，而且還需針對飛行器高空高速高動態再入飛行與精確著陸特性開展詳細設計與分析，在此基礎上，綜合考慮其他約束，對全任務剖面質量特性開展一體化優化設計和綜合分析。

本文針對空天飛行器質量特性設計難點，梳理明確了質量特性設計要求，提出了質量特性設計難點解決方案：“五確定”方法+基于數字化樣機的質量特性管理系統的組合方案,解決了空天飛行器質量特性多約束強耦合優化設計和高效、統一、動態管理空天飛行器全生命周期質量特性數據的難題。

1 空天飛行器質量特性設計難點

空天飛行器質量特性設計作為飛行器總體設計的重要內容，主要面臨“五化”難點[3]：

(1)全程控制精確化。空天飛行器任務剖面涵蓋地面、發射上升、長期在軌、離軌、初期再入、能量管理和進場著陸等各個階段，飛行各關鍵點質量特性具有控制要求差異大，質量特性動態變化大，典型狀態間高度耦合等難點，飛行器質量特性需針對全任務剖面開展系統級優化設計，提出各關鍵點質量特性精確控制要求。

(2)設計分析全程化。質量特性設計的工作重點隨著設計階段的變化而變化，前期主要關注質量特性的估算、分配及總體方案可行性分析，研制中期重點關注質量特性的動態變化趨勢及針對性控制措施，研制后期重點工作為質量特性測量方案、產品實測數據及偏差控制等。

(3)數據來源多樣化。項目各研制階段，質量特性基礎數據來源不同，有經驗數據、三維數模、理論計算數據、實際測量數據[4,11]等，數據來源對數據的偏差和可信度起著決定性作用，對部組件、分系統和全飛行器質量特性估算結果的準確性及偏差有著重要影響。

(4)統計數據海量化。空天飛行器系統復雜，采用數字化設計手段后，基于產品的三維數模數據達到幾十、甚至上百GB，開展質量特性統計分析時，需從海量數模數據中提取全部質量特性數據[12]，并基于這些數據開展分析計算，獲取各典型狀態質量特性。部組件、分系統所提供的統計數據是全飛行器質量特性設計的基礎數據，其時效性對各階段質量特性設計的準確性及變化趨勢有重要影響。

(5)數據分析動態化。不同設計階段，同一部組件的質量特性基礎數據的來源通常隨著研制工作的推進而變化，早期數據通常通過經驗估算獲得，中期通過三維數模獲取，后期通過實際測量獲得。數據分析過程中，需建立龐大的數據庫，對數據進行動態管理，提取各狀態的變化過程，開展邊界檢查分析和匹配性分析。

2 空天飛行器質量特性設計方法

2.1 質量特性設計要求

空天飛行器質量特性與飛行器總體性能和技術指標密切相關，是飛行器總體設計的核心參數，綜合考慮空天飛行器任務剖面特點及平臺應用需求，確定了五方面質量特性設計要求。

(1)平臺通用化使用需求。空天飛行器作為一類通用平臺，可根據任務需要攜帶多樣有效載荷入軌開展空間任務，不同的有效載荷，不同飛行狀態、不同飛行任務，飛行器質量特性，尤其是質心將在較大范圍內變化。如航天飛機質心變化范圍為2%的標稱長度，約為200 mm。因此，考慮到空天飛行器的通用性和對各類有效載荷的適應性，飛行器可適應的質量特性變化范圍應足夠大。

(2)空天飛行器質量特性應滿足控制能力約束。為確保飛行器全任務剖面內均具有較好的控制能力，在氣動布局確定后，控制系統將提出控制能力對質量特性尤其是質心的約束條件，該條件將作為質量特性設計時的關鍵約束條件。為提高空天飛行器使用的利用率，在空天飛行器幾何尺寸、現有控制執行機構等約束下，飛行器可接受的質量特性變范圍應盡可能大。

(3)空天飛行器入軌質量應滿足運載火箭發射要求，以降低發射成本和縮短研制周期。

(4)空天飛行器入軌質量應滿足水平著陸要求。空天飛行器完成長期在軌任務后，將水平著陸于機場，飛行器著陸質量一方面受到機身及機翼載荷的約束和限制，另一方面還受到著陸滑跑系統著陸速度、下沉率及機場跑道條件等著陸性能指標的限制。

(5)空天飛行器質量特性設計還需考慮運輸方式、大型地面試驗及吊裝等使用需求。

2.2 質量特性設計“五確定”方法

空天飛行器質量特性設計涉及地面、發射上升、長期在軌、離軌、初期再入、能量管理和進場著陸等7個階段，各階段均有對應的標稱狀態和偏差，且狀態間存在高度耦合性。空天飛行器質量特性設計流程見圖1。

1)確定約束條件

從質量特性設計要求可以看出，空天飛行器質量特性設計約束條件較多，包含平臺通用性、運載火箭發射要求、飛行器控制能力、著陸性能、力熱環境等，當約束條件沖突時，必須統籌考慮，并借助一定的設計手段，確定約束條件優先級及平衡權重。

2)確定基準狀態

以質量特性設計確定的約束條件和權重為依據，對各階段典型狀態質量特性進行綜合對比分析，確定最嚴苛的質量特性狀態，將其作為全飛行器質量特性的基準狀態。基準狀態的選擇對空天飛行器研制工作至關重要，極有可能帶來設計工作的反復和方案的顛覆。因此，基準狀態的確定，常常需要通過開展多輪迭代設計，多工況對比確定。基準狀態一旦確定，后續設計過程中，除非出現重大問題，一般不允許發生更改。

3)確定典型狀態

在基準狀態確定后，將以其為基線，從總體技術指標、控制能力、在軌任務、空間機構展收運動、著陸裝置狀態等方面，對全任務剖面內的典型動作和關鍵事件進行詳細梳理，以確定空天飛行器質量特性設計的典型狀態，明確各典型狀態間質量特性的獲取方式。空天飛行器全生命周期內，空間機構類部件和有效載荷的狀態較多，質量特性設計時，在確定典型狀態后，還需對各典型狀態下固定部分、變狀態部分和損耗部分進行整合，確定典型狀態計算的最小組成單元。在典型狀態質量特性計算時，需結合組成部分狀態的變化，對質量特性進行計算。

4)確定偏差范圍

在質量特性設計的典型狀態確定后，接下來要確定的就是各狀態對應的偏差范圍。質量特性設計時需考慮各種偏差，如因生產制造引起的干重偏差、推進劑加注引起的偏差、儀器電纜安裝相對于總體布局引起的偏差、部組件或零件及全飛行器的質量特性測量偏差、有效載荷狀態變化引起的偏差等；同時，不同的設計階段，質量特性統計數據的來源及準確度也不一樣，因此，在開展空天飛行器質量特性設計時，在不同的設計階段，通過對質量特性數據來源的區分，及有可能給出不同的偏差范圍。

5)確定表現形式

在空天飛行器全任務剖面內典型狀態及質量特性偏差確定后，還需綜合考慮各系統設計難度及約束條件，確定質量特性提供各系統的表現形式。空天飛行器總體設計的各個環節，導航、制導與控制(GNC)系統對飛行器質量特性及偏差的使用最為嚴格。為降低GNC系統控制器穩定性和強魯棒性的設計難度，設計質量特性時，采用質量特性標稱值變化范圍+質量特性偏差的形式。空天飛行器作為一個通用平臺，需具備攜帶各類有效載荷入軌開展任務的能力，飛行器質量特性應具有較大的變化范圍。GNC系統常在質量特性標稱值范圍內設計多個控制器，系統設計、仿真及試驗驗證時，除針對質量特性變化范圍內的確定值開展偏差分析驗證各控制器控制性能外，還需對多控制器間的平滑性進行驗證。

(1)質量特性標稱值設計。以全任務剖面7個階段的典型狀態為基線，對各典型狀態下的組成及動態變化進行詳細梳理，將質量特性組成分為三大類：固定部分、變狀態部分和損耗部分。固定部分定義為不隨飛行器各狀態變化而變化的部分，如飛行器主結構質量特性、儀器設備質量特性等。變狀態部分隨著飛行器狀態的變化而變化，但此部分質量不會發生變化，如空間機構的運動過程、著陸架的收起及放下等。損耗部分的質量特性會隨著狀態的變化而發生損耗、甚至消失，如推進劑的質量特性、有效載荷在軌釋放后帶來的質量特性變化等。作為通用平臺，不同飛行狀態，有效載荷狀態及儀器設備總體布局不一樣，飛行器質量特性變化范圍較大；同時，不同設計階段，空天飛行器設計的詳細程度不一樣，數據來源也不一樣，最終數據的精確度也不一樣。質量特性設計時，按照一定的設計規則，對三部分質量特性標稱值變化范圍進行分析與整合，從而確定質量特性標稱值變化范圍。

(2)質量特性偏差設計。飛行器質量特性設計時，除考慮飛行器質量特性標稱值及變化范圍外，還需考慮設計偏差、測量偏差和飛行期間質量特性微小變化造成的偏差等。設計偏差主要包括不同設計階段數據來源的差異引起的偏差、三維數模簡化造成的偏差、質量特性數據合成過程中引起的偏差、質量特性配平質量帶來的偏差、質量特性控制預計偏差等。測量偏差主要包括質量特性測量精度、狀態不覆蓋引起的偏差等。質量特性測量精度主要取決于測量設備和測量方法的精度與數據處理偏差。飛行期間質量特性微小變化引起的偏差重點考慮多孔隙材料揮發、水氣回收量、真空放氣等因素引起的質量變化。

3 質量特性管理系統設計與應用

3.1 質量特性管理系統方案

相比傳統航天器，空天飛行器質量特性的計算及技術狀態管理更為復雜。隨著先進數字化技術和三維數字樣機技術的發展與工程應用[12-14]，空天飛行器質量特性控制變得相對容易，且易于實現，可有效解決傳統設計模式全飛行器質量特性數據難以統一管理，設計過程中部組件、單機設備和全飛行器質量特性無法精確控制和評估等難題，降低統計工作量、減少重復性勞動，提高質量特性原始數據統計工作的準確性和時效性。針對空天飛行器質量特性設計特點，基于CATIA模塊數字化設計軟件環境，完成了飛行器質量特性管理系統開發，并通過了工程驗證，相比于傳統質量特性的計算及管理方法，該系統計算速度更快、數據更為準確，實現了飛行器質量特性全生命周期的動態可控、可見和可追溯。

飛行器質量特性管理系統工作流程如圖2所示。

從圖2中可以看出，飛行器質量特性數據管理、分析與評估子系統的相關功能模塊均圍繞飛行器質量特性數據庫展開，質量特性數據庫不單獨作為功能模塊，各功能模塊分別依照其業務需求對飛行器質量特性數據庫進行讀寫操作交換數據。質量特性數據庫作為該系統的核心，只有基于各零部件、部組件、分系統的質量特性才能建立全飛行器質量特性數據庫。此外，管理系統還需具備質量特性數據雙向自動存/取、從外部系統輸入質量特性數據和向外部輸出質量特性數據等功能，以滿足數據庫動態更新計算、外系統提交質量特性表單、各專業自動提取不同狀態質量特性參數等需求。飛行器質量分布計算子系統通過對CATIA模型的前處理、網格劃分和質量塊生成，完成飛行器及其主要部件的質量分布計算。

3.2 質量特性管理系統典型應用

某空天飛行器項目研制過程中，基于飛行器質量特性管理系統，對不同研制階段各零部件、部組件、子系統、分系統及全飛行器質量特性變化歷程進行了全程記錄，形成了多個版本的質量特性狀態，建立了質量特性數據庫，不僅實現了全飛行器質量特性數據的全過程動態可控、可見和可追溯，而且降低了設計人員重復性工作量，幾十GB三維數模設計狀態的全飛行器質量特性數據庫建立與更新的設計效率提高了50%左右，并且保證了數據的準確性。某部組件質量變化歷程如圖3所示。

4 結束語

空天飛行器作為一類不同于衛星、飛船和運載火箭的航天器，其質量特性設計面臨諸多難點和挑戰，本文從工程角度出發，提出了質量特性設計“五確定”方法+基于全飛行器數字樣機的質量特性管理系統組合方案，主要結論如下：

(1)質量特性“五確定”設計方法解決了質量特性設計面臨的“全程控制精確化”和“設計過程全程化”難題，實現了飛行器全任務剖面各階段各典型狀態的質量特性優化設計。

(2)基于數字樣機開發的質量特性管理系統解決了全飛行器全壽命周期內質量特性設計所面臨的數據來源多樣化、統計數據海量化和數據分析動態化的難題，實現了飛行器質量特性全生命周期的動態可控、可見和可追溯。

(3)空天飛行器質量特性設計方法及管理系統的相關成果，可為其他飛行器質量特性設計提供參考。