载人飞船回收着陆半实物仿真系统关键技术研究

郭叔伟程文科郭 鹏董杨彪秦子增

（1海军飞行学院，葫芦岛 125001

（2国防科技大学航天与材料工程学院，长沙 410073）

1 引言

回收着陆过程是载人飞船飞行的最后阶段，为了保证航天员的安全，提高载人飞船回收着陆系统的安全可靠性，需要对回收系统进行大量的计算分析、地面试验及空投试验，以充分考核回收系统对各种环境条件下的适应性，验证相关设计的合理性。由于经费和时间等各种条件限制，载人飞船回收着陆过程空投试验次数有限，难以对多种回收模式、各种环境条件下的系统工作性能进行全面充分的考核，且有些试验也无法实现，有相当部分的试验条件无法满足，如气动偏差、大气环境偏差和各种特殊返回状态等，而纯粹的数值仿真无法实时考核相关核心设备的工作状态和性能。为了充分测试和分析在各种工作模式下回收系统的性能，验证关键部件的工作性能和可靠性，有必要研制一套针对载人飞船回收着陆系统的半实物仿真平台。

载人飞船回收着陆半实物仿真系统是通过实时模拟飞船返回的压力环境，将飞船回收控制装置接入仿真回路的一套半实物仿真平台[1]。利用该半实物仿真平台，可研究返回舱在各种返回条件下的飞行性能、考核相关硬件可靠性和适应性、评估回收程序流程的合理性。在该平台上进行的半实物仿真试验，可与已有的全数值仿真试验、空投试验进行互相印证和对比，形成了一系列完整的针对载人飞船回收着陆系统的试验技术。

与普通飞行器六自由度动力学半实物仿真系统[2]相比，载人飞船回收着陆半实物仿真系统平台不仅包含了实时控制、视景显示、实时仿真算法等技术，还具有其独有特点和需要解决的关键技术，如负压环境模拟、多通路指令信号采集和激励、混合式网络以及多阶段多模型动力学仿真框架技术。

2 载人飞船回收着陆半实物仿真系统介绍

载人飞船回收着陆半实物仿真系统一共为6个部分，分别是回收着陆动力学仿真子系统、程控自动测试与I/O子系统、环境压力模拟子系统、可视化子系统、数据显示子系统和回收程序控制装置，其系统结构框图如图1所示。

图1 载人飞船回收着陆半实物仿真系统结构框图

载人飞船回收着陆半实物仿真系统运行过程如下：1）回收着陆动力学仿真子系统计算出返回舱、各种降落伞的动力学数据，返回舱取压点压力值以及其他相关数据，向环境压力模拟子系统发出压力数据，择机向回收程控装置发出激励指令，每一仿真步长内读取I/O子系统发送的相关指令；2）环境压力模拟子系统循环读取压力数据，根据压力数据实时模拟压力环境；3）回收程控装置根据压力控制信号、接收的激励指令和控制流程，向回收着陆动力学仿真子系统发出相关指令；4）回收着陆动力学仿真子系统根据相关指令更新动力学模型，并进行实时计算；5）数据显示子系统和可视化子系统实时读取相关数据，同步显示动力学数据和可视化姿态。

保证系统仿真精度和顺利进行的关键点在于：高精度快速调节的压力模拟、有效的指令数据的采集和激励、依据指令迅速有效的改变动力学模型的仿真框架、满足实时仿真的通信网络。

3 系统关键技术研究

3.1 返回再入压力环境模拟技术

载人飞船回收着陆系统利用静压高度控制器来控制开伞，静压高度控制器的接通高度决定了返回舱的开伞高度，而开伞高度对回收着陆系统飞行性能的影响，则是回收系统设计的重要研究内容。环境压力模拟装置加入到回收着陆半实物仿真系统，一个主要目的在于评估静压高度控制器的工作特性，包括：在各种可能的工作模式下静压高度控制器的接通高度范围和接通压力范围，研究返回舱的运动状态对静压高度控制器工作性能的影响，验证静压高度控制器压力阈值设置的合理性。

环境压力模拟子系统的研究内容可分为两部分：1）计算返回舱回收过程中取压点的压力变化，为此需要计算返回舱取压孔附近压力系数[3]；2）环境压力模拟设备研制，将取压孔置于密闭容器内，通过调节密闭容器的真实压力达到压力模拟的目的，其实时调节精度和速度应达到载人飞船回收着陆半实物仿真平台的要求。

在返回舱取压孔附近压力系数数值计算研究内容中，首先开展典型工况的风洞试验与CFD（Computational Fluid Dynamics）数值计算，通过二者比较验证，对CFD数值计算的模型进行修正。采用修正以后的计算模型对所有工况进行CFD数值计算，获得取压孔的压力特性随攻角、侧滑角、速度、高度等变化关系，如图2所示。

图2 取压孔处压力修正系数计算过程

在环境压力模拟设备研制工作中，首先是要保证压力调节指标满足半实物仿真的实时要求，在飞船的返回过程中，开伞控制系统的实际工作的环境是10km左右的高空大气。飞船正常回收时，环境压力逐渐升高；上升段救生逃逸时，环境压力逐渐降低，因此通过计算可以确定压力调节的范围和调节精度，为了提高压力调节精度，除采用高精度传感器和先进的控制系统外，特别采用了双真空罐进行压力调节，其原理如图3所示。

图3 环境压力模拟器工作原理

环境压力模拟装置基本工作流程是：在每个采样周期，由动力学仿真计算机将计算的总压信息（期望压力）发出，通过光纤反射内存卡映射到环境压力控制计算机，工控机通过比较期望压力与高精度压力传感器感应的封闭容腔（即飞船上取压盒）内压力之差，根据工控机内的控制程序，发出控制信号，经过数模转换卡信号转换后，输出到伺服放大器，驱动电/气伺服装置（主要是电气比例阀）运动，通过控制电气比例阀接通低压或高压气体的流量，从而改变封闭压力容腔（取压盒）内压力，实现封闭容腔内压力的实时、高精度、快速调节响应。

图4为一次半实物仿真返回舱接近开伞点时取压孔压力变化，图中期望压力为回收着陆动力学仿真子系统向环境压力模拟子系统发送的压力值，模拟压力为环境压力模拟装置封闭容腔内的真实压力。从图中可以看出，环境压力模拟装置的压力控制响应速度、稳态精度、动态精度、上升响应速度都在设计范围内，其模拟压力与期望压力的误差一般不超过50Pa，远远小于静压高度控制器的工作误差范围。

图4 返回舱接近开伞点时取压孔压力变化

3.2 多通路指令信号处理技术

在载人飞船回收着陆半实物仿真系统中，被测硬件实物之一回收程序装置与外界的通信为多通路指令信号。为了保证被测硬件的安全、满足仿真实时性需求和功能需要，在半实物仿真系统中，专门设置了I/O子系统来处理信号采集和激励，I/O子系统主要分为上位机和下位机，如图5所示。上位机负责与仿真主机的通信、整个I/O子系统的数据管理、回收程控装置自动和手动测试软件、以及与下位机通信；下位机负责采集回收程控装置的指令信号以及将指令向上位机转发，同时也根据上位机的通信信号向回收程控装置发出各种激励信号。

图5 I/O子系统组成及结构

为了实现I/O子系统的功能设计需要，达到实时仿真精度需求以及确保回收程序控制装置的安全性，I/O子系统采用了如下技术手段以保证系统达到半实物仿真要求：

1）光电隔离技术。下位机与回收程序控制硬件之间的信号激励和数据采集经光电隔离，可以确保程控硬件的安全性，也不会干扰程控硬件的信号，具有较高的可靠性。

2）满足实时仿真需求的高速高效网络通信，在I/O子系统中存在两个网络通信：下位机与上位机串口通信、上位机与仿真主机的以太网通信，为了保证半实物仿真实时的需要，对I/O子系统中的两个网络通信提出较高的要求。下位机和上位机采用RS-232串口通信协议进行数据交互，其中关键点是下位机采集指令的发生时机和指令编排方案。下位机指令发送时机采用两种模式同时进行：一种是一定间隔的定时发送；另一种是根据指令变化触发式发送。该两种模式即保证了串口通信的正常测试和监控，又使采集到指令后的传输延迟时间缩短。上位机与仿真主机的网络通信是基于TCP/IP以太网通信，其网络技术指标满足仿真精度需求。

3.3 半实物仿真混合式网络技术

实时数据传输和通信是半实物仿真系统的支撑技术，而实时通信网络通常采用基于高速网络的共享储存器技术实现[4-5]。在载人飞船回收着陆半实物仿真系统中，为了保证仿真精度和实时需求，对于一些关键数据传输，均采用了共享储存器技术；而对于一些实时要求不高的数据传输采用了扩展性较好、成本低的以太网通信方式。因此，整个载人飞船回收着陆半实物仿真系统采用了混合式网络结构，即同时采用了共享储存器和以太网通信技术。

载人飞船回收着陆半实物仿真数据流向、网络数据通信需求和拟用网络或设备如表1所示。其中，仿真主机（承载回收着陆动力学仿真子系统）和环境压力模拟计算机、仿真主机与I/O接口计算机之间的数据通信，在整个载人飞船回收着陆半实物仿真系统实时网络中要求最高，也最为重要。

表1 载人飞船回收着陆半实物仿真系统网络设备指标说明

回收着陆动力学仿真子系统的仿真步长一般设定为2～10ms，经实际测验，仿真过程中系统采用以太网通信方式，单位时间内，回收着陆仿真主机和I/O子系统之间的以太网数据通信量不到100Mbps以太网总容量的1%，其数据通信时间间隔为仿真步长，而I/O子系统指令要求的网络延时为百毫秒量级。有资料[6]表明，并经实际测试，此类通信量和通信模式的以太网络数据通信延迟一般在1ms以下，远远小于数据通信时间间隔和I/O子系统指令网络时延的要求，因此，采用以太网的通信方式能够满足回收着陆动力学仿真子系统和I/O子系统之间的数据通信需要。与此同时，采用以太网通信方式有利于提高仿真节点的扩展性，便于各种仿真的调试和运行，如在普通微机上可迅速移植I/O节点、可视化节点和数据显示节点。

在载人飞船回收着陆半实物仿真过程中，环境压力模拟子系统需要根据接到的环境压力期望值进行压力调节，其调节过程需要一定的时间。因此，希望回收着陆动力学仿真子系统与环境压力模拟子系统之间的数据通信延迟越短越好，以便留给压力模拟设备充足的调节时间，共享储存器通信技术的数据传输延迟一般在4.5μs以下[6-7]，能够满足仿真精度需求。

3.4 多阶段动力学仿真框架

载人飞船回收模式多，回收过程又可分为多个工作阶段，如减速伞拉直工作段、减速伞充气工作段；每个工作阶段又包含不同的动力学模型，如减速伞充气工作段包含返回舱动力学模型、减速伞充气动力学模型、单点吊挂约束模型等。再考虑到载人飞船回收着陆系统包含的备份伞系统动力学模型，整个载人飞船回收全过程的动力学模型数量非常大，且每次动力学模型转换时的参数传递和环境参数加载也比较复杂，因此如果按照传统的建模方式构建仿真框架，整个载人飞船回收着陆动力学仿真框架流程复杂，编程工作量很大，且容易出错。

考虑到半实物仿真平台的实时性，程序的可扩展性等需求，有必要在对载人飞船回收动力学模型进行归纳和总结的基础上，建立比较通用和高效率的降落伞动力学仿真框架，以适应载人飞船回收着陆半实物仿真试验平台的多项指标要求。在借鉴前人的降落伞系统动力学分层建模思想[7]和应用面向对象编程方法的基础上，充分考虑到载人飞船回收着陆半实物仿真试验平台的特点，构建了载人飞船回收着陆过程分阶段、分层次、高效的仿真框架，如图6所示。

图6 载人飞船回收着陆仿真框架层次结构

图7 基元模型的分解

模型构建的关键点在于一般基元层和模型集成层，其总体思路是先建立单个动力学微分和单个约束的基元模型，通过分析各个基元模型的特点，利用面向对象方法，以统一的接口将相关基元模型连接在一起，形成某个运动阶段的动力学模型，如图7所示，图中分别建立了伞、伞包、返回舱动力学微分基元模型和伞与伞包、伞包与返回舱的约束基元模型，这些基元模型均继承同一父类，该父类具有相同的接口，通过该接口将模型连接在一起，形成该阶段的动力学模型。在运动阶段和阶段模型发生改变时，如主伞单点吊挂转换成双点吊挂，只需关闭和激活相关基元模型（包括动力学微分基元和约束基元），更新个别特殊参数，而大部分基元模型的参数基本保持不变，其阶段模型转换过程类似堆积木，简单而形象，使整个仿真框架层次分明，模型转换方便而清晰，避免了重复的参数传递。

在仿真框架中，构建了统一的模型连接接口，不仅使一系列基元模型能够准确的连接在一起，还能使动力学阶段模型改变时能够方便，快速地更新模型，以适应半实物仿真实时的需求。

4 结束语

本文就载人飞船回收着陆半实物仿真系统特有的关键技术进行了深入研究。首先，为了实时模拟飞船返回过程返回舱取压孔的环境压力，研制出了环境压力模拟装置，该设备采用了高精度传感器、先进的控制系统、双真空罐等技术手段进行压力调节，从最后仿真结果来看，其压力控制稳态精度和动态响应速率等关键性能指标均能满足半实物仿真的需要；其次，针对回收程控装置的信号采集和激励，采用了光电隔离技术、指令定时和触发式双重发送机制，保证了设备的安全性和仿真的实时性；为了保证半实物仿真的实时性和仿真节点的扩展性，在关键数据通信上采用了实时性好的共享存储器技术，在实时性要求低的数据通信上选用了扩展性好的以太网通信，达到设备性能的最优化；最后，根据飞船返回过程的多个运动阶段和多种动力学模型，开发了基于分层建模和面向对象的仿真框架，简化了仿真建模的难度，提高了整个仿真系统的通用性。

[1]郭叔伟，董杨彪，王海涛，等.载人航天器回收着陆半实物仿真系统研究[J].系统仿真学报，2010，22（3）：621-625.

[2]徐德华.实时半实物仿真系统关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士论文，2005.

[3]刘威，秦子增，夏刚，等.飞船返回舱环境压力模拟装置的实验研究[J].航天返回与遥感，2008，29（2）：1-6.

[4]高立娥，康凤举，王彦恺.一种基于反射内存实时网络的半实物仿真系统[J].计算机仿真，2005，22（3）：621-625.

[5]蒲源，王仕成，刘志国，等.VMIC-SBS网络接口系统研究[J].计算机仿真，2008，25（5）：37-39.

[6]廖英，梁加红.实时仿真理论与支撑技术[M].长沙：国防科技大学出版社，2002.

[7]宋旭民，彭勇，程文科，等.大型降落伞系统回收过程动力学建模[C].首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会，北京，2004.