“神舟號”載人飛船開傘控制方案設(shè)計

榮 偉 李惠康

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

降落傘的開傘作為航天器回收著陸系統(tǒng)工作中的第一步,是關(guān)系到回收著陸系統(tǒng)工作成敗的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何選擇一個合適的開傘時機(jī)、采用何種開傘控制方法、怎樣控制好開傘時機(jī)等問題都是航天器回收著陸系統(tǒng)開傘控制技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果開傘點太高,則有可能導(dǎo)致開傘動壓太大,降落傘開傘后被沖破;若開傘點太低,則有可能發(fā)生回收著陸系統(tǒng)的工作程序還沒完全完成,返回艙或著陸器就已著陸的情況。因此,降落傘的開傘控制技術(shù)是航天器回收著陸系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

航天器回收著陸系統(tǒng)中的開傘控制方法因其任務(wù)特點和需求的不同而各異。由于載人飛船存在著多種返回和救生方式,因此必須確保其開傘控制方案能適應(yīng)各種返回和救生狀態(tài)。本文根據(jù)“神舟號”載人飛船的特點,制定了開傘控制方案,介紹了該方案的設(shè)計思路以及仿真試驗和飛行試驗的驗證情況。

2 載人飛船開傘控制方案

航天器回收或著陸系統(tǒng)中常用的開傘控制方法主要有[1-2]: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。其中,純時間控制法是指在軌道艙與回收艙分離后按預(yù)先確定的時間控制開傘;過載-時間控制法是利用過載開關(guān)和時間控制器進(jìn)行控制的方法;靜壓高度控制法是利用大氣靜壓和高度的對應(yīng)關(guān)系控制開傘;雷達(dá)高度控制法是指通過著陸雷達(dá)提供的高度和速度信息控制開傘;自適應(yīng)過載控制法是一種以動壓為控制目標(biāo)的開傘控制方法[3]。

由于載人飛船需要考慮到航天員返回過程中的安全性和舒適性,為了改善返回艙的進(jìn)入狀態(tài),減小返回過程中的最大過載值和熱流密度峰值,減小返回艙的落點散布等,返回艙的再入一般采用彈道-升力式的返回方式。這樣,當(dāng)采用彈道-升力返回時,返回軌道有一定的機(jī)動性,返回艙到達(dá)某一高度的時間相對于返回再入點存在很大的偏差。同時,在某些應(yīng)急情況下,為了保證航天員的緊急、安全返回,又需要采取彈道式方式返回,這和正常的彈道-升力式返回軌道又存在著很大的差異。因此在飛船上采用純時間控制法和過載-時間控制法來控制開傘都是不合適的。

考慮到飛船返回時可能出現(xiàn)不同狀態(tài),為了確保飛船按預(yù)定高度開傘,可以利用大氣靜壓和高度的對應(yīng)關(guān)系,采用“氣壓高度”法來控制開傘高度,也就是通過高度控制裝置感受返回艙取壓孔表面的氣壓(包括動壓和靜壓)來控制開傘高度。由于目前對于地球大氣環(huán)境具有較好的認(rèn)識,特別是對于地球大氣壓力隨高度的變化情況或規(guī)律早已制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此,利用大氣靜壓和高度的對應(yīng)關(guān)系,并結(jié)合風(fēng)洞試驗獲取返回艙返回過程中取壓孔處動壓的影響規(guī)律來控制開傘,可以比較精確地控制開傘高度,也可以適應(yīng)飛船的各種返回方式。

由于返回艙取壓孔一般設(shè)置在返回艙的側(cè)壁上,返回艙在返回過程中,處于高速運動的狀態(tài),取壓孔表面的壓力并不單純是返回艙所處當(dāng)?shù)氐拇髿忪o壓,而是一個包含動壓影響的總壓,即:

式中 P0為高度控制裝置敏感到取壓孔表面的總壓;P∞為大氣靜壓,其值受著陸場地理位置及季節(jié)的影響;Q為動壓,取決于返回軌道參數(shù);Cp為壓力修正系數(shù),其值受取壓孔位置、返回艙姿態(tài)以及飛行馬赫數(shù)的影響。

因此,靜壓高度控制的工作原理是,先給高度控制裝置裝訂工作壓力,其值等于所需高度對應(yīng)的大氣靜壓力(P∞)與返回艙下降至該高度時取壓孔表面的動壓修正值(Q?Cp)之和。這樣在實際使用中,當(dāng)返回艙下降至高度控制裝置發(fā)出接通信號(即達(dá)到工作壓力),此時返回艙所處的高度即接近所需的高度。由此可見靜壓高度控制適用于動壓基本不變或變化緩慢的環(huán)境中,因此,應(yīng)在返回艙達(dá)到穩(wěn)定下降狀態(tài)后使用靜壓高度控制,且取壓孔的壓力修正系數(shù)受返回艙運動的影響應(yīng)盡可能小,才能減小靜壓高度控制的使用誤差,所以靜壓高度開傘控制需通過精心選擇取壓孔的位置、多狀態(tài)風(fēng)洞測壓試驗獲取壓力修正系數(shù)、合理選取名義開傘高度、精心設(shè)計高度控制裝置等步驟才能實現(xiàn)。

3 開傘控制的實現(xiàn)

根據(jù)靜壓高度控制的工作原理,制定其開傘控制的設(shè)計流程,如圖1所示。

3.1 取壓孔位置的確定

根據(jù)靜壓高度控制的工作原理,由于壓力修正系數(shù)受取壓孔的位置、返回艙姿態(tài)以及飛行馬赫數(shù)的影響,因此,為了盡量減小返回艙返回過程中彈道參數(shù)對壓力修正系數(shù)影響的變化,取壓孔位置一般選擇在返回艙的背風(fēng)面。取壓孔的具體位置可以通過計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗來確定。

圖1 靜壓高度開傘控制設(shè)計流程

3.2 壓力修正系數(shù)的確定

如上文所述,由于返回艙在返回過程中處于高速運動狀態(tài),受動壓的影響,取壓孔表面的壓力并不是返回艙所處當(dāng)?shù)氐拇髿忪o壓,而是一個總壓,是靜壓與動壓綜合作用的結(jié)果。因此,在考慮高度控制裝置所感受的壓力時,必須修正返回艙動壓的影響。壓力修正系數(shù)即是對動壓的修正,可見壓力修正系數(shù)的確定是確保飛船按預(yù)定高度開傘的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

取壓孔位置確定后,壓力修正系數(shù)的確定主要是考慮返回艙姿態(tài)以及飛行馬赫數(shù)的影響,即尋找 Cp與飛行馬赫數(shù)(Ma)、攻角(α)、側(cè)滑角(β)的函數(shù)關(guān)系(取壓孔位置已定)。即

為了獲得壓力修正系數(shù)Cp,可以通過CFD計算和縮比模型的風(fēng)洞試驗相結(jié)合進(jìn)行研究。由于風(fēng)洞試驗只能測得若干特征點狀態(tài)下的Cp值,要想獲得連續(xù)的函數(shù)關(guān)系,僅靠風(fēng)洞試驗是不夠的,或者說如果單純依賴于風(fēng)洞試驗必然要進(jìn)行大量車次的試驗,費用過高。因此可借助于計算機(jī)數(shù)值計算的方法來模擬取壓孔的壓力特性,獲取壓力修正系數(shù)Cp。同時CFD數(shù)值計算的準(zhǔn)確性和可信度必須通過風(fēng)洞試驗的數(shù)據(jù)來進(jìn)行對比驗證。

3.3 開傘高度和壓力值的確定

開傘高度和高度控制裝置的接通壓力值是飛船開傘控制中的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

開傘高度的確定也是開傘時機(jī)的選擇,主要是根據(jù)飛船返回軌道和開傘后回收著陸段的彈道來確定的。選擇合適的開傘時機(jī)實際上是設(shè)計合適的開傘高度、開傘速度、開傘馬赫數(shù)、開傘動壓等參數(shù),以確保降落傘工作的可靠性和著陸系統(tǒng)工作的完成。在實際工程設(shè)計過程中,開傘高度的設(shè)計需要考慮到各種可能的返回軌道,包括標(biāo)準(zhǔn)返回軌道和各種偏差軌道,同時還要考慮到可供選擇的控制方法和器件,確保在所有的設(shè)計偏差軌道范圍內(nèi),開傘后的各個程序動作均能及時、可靠地完成,并在控制器件誤差允許的情況下,降落傘系統(tǒng)都能正常工作,不允許因開傘時溫度、動壓的變化造成開傘高度超出設(shè)計要求。對于“聯(lián)盟號”和我國的“神舟號”飛船來說,一般開傘高度設(shè)計在10km左右[4-5]。

高度控制裝置的接通壓力值即為高度控制裝置敏感到取壓孔外的氣壓P0,也是高度控制裝置的預(yù)調(diào)設(shè)計指標(biāo),主要由事先設(shè)計的開傘高度所確定。其主要設(shè)計思想為:

1)根據(jù)著陸場的氣象數(shù)據(jù)確定大氣靜壓P∞(標(biāo)稱值)與高度之間的關(guān)系;2)根據(jù)飛船的返回軌道確定返回艙到達(dá)不同高度時的動壓Q;

3)根據(jù)公式(1)(其中Cp由風(fēng)洞試驗結(jié)果結(jié)出)確定P0與高度之間的對應(yīng)關(guān)系(標(biāo)稱值);

4)根據(jù)回收著陸段的彈道計算情況確定一個開傘高度(H1);

5)從上述所得到的P0與高度之間的對應(yīng)關(guān)系確定開傘時(對應(yīng)高度H1)取壓孔處的壓力P1,即為初步確定的高度控制裝置設(shè)計的壓力指標(biāo)值,如圖2;

圖2 取壓孔壓力與開傘高度間的關(guān)系示意圖

6)由于大氣壓力受各種因素的影響,使得飛船的實際開傘高度也存在著一定的變化,因此為了確保回收著陸系統(tǒng)工作可靠,還需知道因大氣靜壓變化所引起的開傘高度變化范圍,即P0與高度之間的對應(yīng)關(guān)系的上、下偏差曲線;

7)最后根據(jù)高度控制裝置本身的偏差以及P0與高度之間的對應(yīng)關(guān)系的上、下偏差曲線確定開傘高度范圍,并檢查在這些高度范圍內(nèi)開傘是否均能滿足開傘要求,否則再對開傘高度進(jìn)行修正。

3.4 高度控制裝置設(shè)計原則

由于開傘是回收著陸關(guān)鍵的第一步,高度控制裝置的可靠性至關(guān)重要。因此在其設(shè)計上一般要采取以下原則:

1)采用多組高度控制開關(guān)來進(jìn)行備份;

2)對每個高度控制點采用“三取二”冗余措施,以保證其工作可靠;

3)增設(shè)濾波電路,以消除在振動、沖擊環(huán)境中誤發(fā)信號,提高開傘信號的可靠性。

4 設(shè)計結(jié)果驗證

飛船開傘高度設(shè)計的合理性和實際控制情況主要是通過仿真試驗和飛行試驗進(jìn)行驗證的。

由于飛船存在著多種返回或救生方式,除了正常的彈道-升力式返回外,還有彈道式返回和發(fā)射段故障情況下的應(yīng)急救生狀態(tài),以及正常返回過程中回收著陸系統(tǒng)自身故障情況的工作狀態(tài)。因此,為了驗證設(shè)計的開傘高度是否滿足各種返回和救生方式下的狀態(tài)要求,僅靠空投或飛行試驗是無法完全驗證到的,需要通過仿真試驗來驗證各種工況。為此,研制了一套半實物仿真系統(tǒng),對實際開傘高度的范圍、開傘高度設(shè)計的合理性、高度控制裝置壓力值設(shè)置的合理性、以及開傘后回收著陸系統(tǒng)工作性能等進(jìn)行仿真試驗。

利用半實物仿真系統(tǒng)平臺對飛船正常彈道-升力式返回、彈道式返回、應(yīng)急救生、以及一些偏差狀態(tài)下的工況和條件,進(jìn)行了大量仿真試驗,開傘高度范圍均在9～13km左右。結(jié)果表明在各種工況和條件下,開傘高度均在設(shè)計范圍內(nèi),高度控制裝置壓力值設(shè)置合理,開傘后回收著陸系統(tǒng)工作性能均滿足設(shè)計要求,開傘控制方案設(shè)計合理。

根據(jù)“神舟號”飛船3次載人飛行試驗結(jié)果,實際開傘高度均在設(shè)計的10km高度左右,圖3為某次飛行試驗中開傘前后動壓隨高度的變化情況,并且根據(jù)高度控制裝置實際信號接通高度及相應(yīng)的返回彈道參數(shù),推算得到高度控制裝置的接通壓力及相應(yīng)的靜壓高度值均與高度控制裝置的設(shè)計值和單檢測試時所測得的高度值相吻合。

圖3 某次飛行試驗中開傘前后動壓隨高度的變化

5 結(jié)束語

經(jīng)過大量的仿真試驗以及多次飛行試驗的結(jié)果表明:“神舟號”飛船在各種工況和條件下,開傘高度均在設(shè)計范圍內(nèi),高度控制裝置壓力值設(shè)置合理,開傘后回收著陸系統(tǒng)工作性能均滿足設(shè)計要求,開傘控制方案設(shè)計合理。

[1]林華寶,陸章福.彈道及彈道引力式進(jìn)入器回收和著陸系統(tǒng)[M]//王希季.航天器進(jìn)入與返回技術(shù)(下).北京:中國宇航出版社,1991:168-171.

[2]榮偉.火星探測器減速著陸技術(shù)研究[D].中國空間技術(shù)研究院工學(xué)博士學(xué)位論文,2008.

[3]榮偉,陳旭,陳國良,等.火星探測著陸系統(tǒng)開傘控制方法研究[J].航天返回與遙感,2007,28(4):6-11.

[4]林斌.聯(lián)盟號載人飛船降落傘系統(tǒng)介紹和分析[C].全國第五屆安全救生學(xué)術(shù)交流會.襄樊,2001.

[5]林斌.神舟號載人飛船降落傘系統(tǒng)[C].中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第十八次學(xué)術(shù)會議.宜昌,2005.