基于航天员自主识别与控制的回收着陆模式研究

彭华康 黄震 贾世锦 张方 邵立民



基于航天员自主识别与控制的回收着陆模式研究

彭华康1,2黄震2贾世锦2张方1邵立民2

（1 南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016）（2 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

为解决由于载人飞船回收着陆分系统自身故障导致无法启动回收着陆工作程序的问题，文章提出了一种基于航天员自主识别、判断和控制的回收着陆新模式。首先从手动控制工效学、航天员主观识别和判断的参考物以及手控指令发送的时机等三方面进行了可行性探讨，然后分析了工程实现的技术路径。结果表明：航天员可通过载人飞船仪表系统显示和语音播报的途径获取返回舱返回过程中的关键时间点信息，通过亲身感受返回舱有无弹盖开伞时的振动冲击、脉冲噪声和过载来判断返回舱是否完成了弹盖开伞动作；同时在天气晴朗时通过舷窗进行对地观测可初步估计返回舱离地高度；当判断回收着陆分系统自身故障无法启动回收着陆工作程序时，航天员可以进行手动控制发送手控指令以启动回收着陆工作程序。这种新模式不影响现有回收着陆工作程序的执行，可以消除回收着陆分系统自身故障导致无法启动回收着陆工作程序的风险，提高了弹盖开伞的可靠性。

航天员 自主识别和控制 手动控制 回收着陆

0 引言

回收着陆分系统是载人飞船关键分系统之一[1]，其功能是利用降落伞的气动阻力对进入地球大气层的返回舱进行减速，着陆前进一步采用反推发动机进行缓冲，最终实现航天员的软着陆[2]。目前载人飞船现有的回收着陆工作模式都是自主控制[3]，当载人飞船平台给回收着陆分系统供电后，无需地面或航天员干预，分系统能够自主判断载人飞船返回的工作状态、选择并启动相应的工作程序、执行相应的弹盖、开伞等动作。

本文提出了一种新的回收着陆模式，能够在载人飞船正常返回（包含应急返回）回收着陆分系统自身故障无法启动回收着陆工作程序时，由航天员手动控制发送指令启动回收着陆工作程序。这种新的回收着陆模式可以充分发挥航天员的主观能动性，由航天员自主识别、判断并手动控制启动回收着陆工作程序。本文首先分析了载人飞船现有回收着陆工作模式的特点，然后对提出的新模式进行了可行性探讨，分析了技术路径，最后提出了后续工程实现需研究的具体问题。本文提出的回收着陆新模式具有一定的工程应用参考价值。

1 现有回收着陆模式分析

1.1 工作模式设置情况

载人飞船设置了正常返回、中空救生和低空救生3种基本的工作模式[2-4]，每种工作模式对应一个工作程序。另外在这3种工作模式基础上，还设置了多种回收着陆分系统自身故障情况下的工作模式[5-6]。中空救生和低空救生工作模式是为载人飞船在发射上升段（包括零高度逃逸）、应急救生状态下而设置的，分系统自身故障情况下的工作模式是为了提高分系统工作的可靠性和安全性所设置的。

1.2 开伞控制分析

航天器回收中常用的开伞控制方法主要有[7-11]：纯时间控制法、过载—时间控制法、静压高度控制法、雷达高度控制法和自适应过载控制法。为适应各种返回和救生状态，且能比较精确的按预定高度控制开伞，载人飞船除在低空救生时采用纯时间控制法外，其他回收着陆工作模式均使用静压高度控制法[12]。目前对于地球大气环境具有较好的认识，大气压随高度的变化情况或规律已制定相关标准[5]。静压高度控制法是利用大气静压和高度的对应关系，并结合风洞试验获取的返回舱返回过程中运动状态对取压孔处动压的影响规律，可以比较精确地控制开伞高度。载人飞船使用的开伞高度控制装置设置了三个高度控制点，每个高度控制点使用一组高度开关，均采用“三取二”冗余措施发信号[5]，当一组高度开关故障无法发送信号时，另外一组高度开关接通后将继续发送信号以保证工作可靠。

1.3 开伞启动条件分析

载人飞船在低空救生时由于弹道高度低、着陆时间短而采用纯时间控制法启动回收着陆程序外，其他回收着陆工作模式均使用静压高度控制法，开伞启动条件之一均包含开伞高度控制装置的高度控制点正常接通。

1.4 开伞高度控制装置故障分析

当开伞高度控制装置发生故障，无法发出高度信号时，现有的回收着陆工作程序除低空救生外均将无法启动。开伞高度控制装置使用的三组高度控制开关工作原理相同，均通过外界压力的变化来驱动触点开关的接通。由于三组高度开关使用返回舱侧壁同一大气静压取压孔且工作原理相同，当一组高度开关出现故障时，其余高度开关发生故障的可能性还是存在的。

本文提出的由航天员手动控制启动回收着陆工作程序的新模式，无需开伞高度控制装置参与，可以有效排除开伞高度控制装置所有高度开关失效导致无法启动回收着陆工作程序的风险。

2 可行性探讨

在返回着陆段飞行过程中，航天员能否有效地手动控制启动回收着陆工作程序，影响的主要方面有：1）返回过程中航天员手动控制是否满足工效学要求，能否执行发送手控指令动作；2）是否有可靠的供航天员主观识别和判断的参考物，辅助航天员进行判断；3）手控指令发送的时机如何选择，是否满足开伞条件。

2.1 手动控制工效学分析

返回过程中，航天员卧躺于返回舱座椅组件内，座椅束缚带已绑紧，航天员身体主干部分固定于座椅中，头部可方便地观察周围状态，借助仪表操纵棒可自由操作周围仪表设备，回收着陆分系统的手控指令位于返回舱舱壁仪表设备和可移动的指令控制板上，卧躺于座椅中的航天员无需仪表操作棒的辅助，即可方便地进行操作并发送手控指令。

在载人飞船现有的返回再入飞行程序中，为提高载人飞船平台给回收着陆分系统供电的可靠性，作为程序控制指令的备份手段之一，安排了航天员手动控制发送指令将平台电源接入回收着陆分系统[2,5]。在载人飞船历次载人返回飞行过程中，航天员均能顺利通过操作仪表分系统设备发送手控指令，执行平台给回收着陆分系统供电的动作。由此可见，在返回过程中，返回舱内航天员能够手动操作仪表设备，手动控制情况满足工效学要求。

2.2 航天员主观识别和判断的参考物分析

可辅助航天员主观识别和判断返回舱状态的参考物主要有：

1）船上仪表分系统显示器的显示信息和语音播报提示；

2）弹盖开伞时的振动冲击、脉冲噪声和过载；

3）航天员头部附近的舷窗外景。

2.2.1 仪表显示和语音辅助判断

仪表分系统的两块液晶显示器位于航天员座椅的正前方，仰卧于座椅中的航天员可清晰地查看显示器中的显示信息，在船载中央计算机的控制下，仪表显示器和语音播报设备可以按照预定时间或条件显示和播报返回舱相关信息，提醒航天员关注返回舱的状态。例如在载人飞船高度控制开关即将接通和接通后，可通过仪表显示和语音播报的方式提醒航天员返回舱的状态。

2.2.2 振动冲击、脉冲噪声和过载辅助判断

返回舱是否进行了弹盖开伞动作，舱内航天员可通过主观感受来直接辨别。伞舱盖通过十多只火工弹射装置安装在伞舱法兰上，弹射时所有火工装置同时引爆，将伞舱盖以一定的分离初速度弹出[2]，同时会产生振动冲击载荷和振动脉冲噪声，降落伞拉直充气过程也会产生过载，舱内航天员可直接接收伞舱盖弹射时产生的振动冲击载荷、脉冲噪声和开伞时的过载。如果未开启弹盖开伞回收着陆程序，则航天员无法感受这些振动冲击、脉冲噪声和过载。所以伞舱盖弹射时产生的冲击载荷和振动脉冲噪声以及降落伞充气拉直时产生的过载，是舱内航天员判断有没有发生弹盖开伞的直接证据。

2.2.3 舷窗外景辅助判断

返回舱II象限座椅头部左侧和IV象限座椅头部右侧均布置有透明的舷窗，舱内II象限和IV象限航天员均可方便地通过舷窗进行对外观测。当天气晴朗时，航天员可通过透明舷窗来对地观测，并粗略估计返回舱距离地面的高度；当天气不好云雾较多时，则很难实现对地观测。

再入大气层过程中，位于返回舱侧风面的舷窗玻璃虽然会经历一定的气动加热环境，但其透明性仍然较好。以载人飞船某次任务为例，返回舱落地后从舱内通过舷窗往外观察，两侧舷窗玻璃的透明性如图1所示，除返回舱落地翻滚时舷窗外表面沾染了部分黄色沙土外，舷窗的整体透明性较好。所以返回舱在返回降落的过程中，当天气晴朗时舱内航天员可通过舷窗对地面进行观测，并粗略地估计返回舱距离地面的高度。当航天员观察到返回舱距离地面较近，只有1~2km时，且一直未感受到弹盖开伞产生的振动、冲击和过载等载荷，航天员可果断决策进行手动控制启动回收着陆工作程序。

图1 载人飞船返回舱落地后的舷窗外景

2.3 手控指令发送时机和开伞分析

返回舱再入地球大气层后降落至降落伞打开前，返回舱受到的气动阻力和地心引力趋于平衡，返回舱下降速度基本稳定，下降速度维持在200m/s左右[2,13,14]，随着高度的降低，大气密度逐渐增加，降落伞受到的气动阻力会逐渐变大，返回舱将逐渐减速。现有的回收着陆工作程序中，返回舱弹盖开伞的最早时间发生在高度控制装置正常工作第一组高度开关接通后，此时返回舱距离地面的高度约10km左右[2,4,15]；返回舱弹盖开伞的最晚时间发生在高度控制装置故障工作第三组高度开关接通后，此时第一组和第二组高度开关全部故障无法接通，返回舱距离地面的高度约5km左右。

假设载人飞船回收着陆分系统具备距离地面高度1km左右的开伞能力并保证以安全速度着陆，则返回舱从5km降落至1km之间的任意时刻是航天员发送手控指令的最佳时机。这个时间段避开了现有回收着陆模式中最晚的弹盖开伞时刻，所以是不影响现有回收着陆程序正常工作的。极端情况下，当开伞高度控制装置三组高度开关全部失效时，回收着陆工作程序均将无法启动，降落伞也将无法打开，此时航天员进行手动控制启动回收着陆工作程序就显得至关重要。

3 技术路径分析

载人飞船已经成功飞行并返回地面十一次，历次飞行任务中返回舱高度控制装置均正常工作，都在第一组高度开关接通时，开启了回收着陆工作程序。故障工作情况下第一组高度开关故障、第二组高度开关接通启动回收着陆工作程序，以及第一组第二组高度开关均故障、第三组高度开关接通启动回收着陆工作程序的情况，在实际飞行任务中都没有发生，无法得到故障情况下的实测数据。在弹盖开伞前的返回再入飞行段末期，飞行程序中均安排了载人飞船平台给回收着陆分系统供电[5]，通过统计和分析历次飞行任务中载人飞船平台给回收着陆分系统供电后第一组高度开关接通的时间，结合故障模式下第一组高度开关失效、第二组高度开关接通，以及第一组第二组高度开关均失效、第三组高度开关接通的仿真计算结果，可获取回收着陆分系统供电后第一组高度开关正常接通的统计时间，以及故障工作模式下第二组高度开关和第三组高度开关接通的计算值。将这些时间安排在载人飞船平台飞行程序中，通过仪表显示和语音系统播报的方式，提醒航天员及时知悉这些关键的时间节点。航天员可根据这些时间节点的提醒，通过亲身感受返回舱弹盖开伞时产生的振动冲击、脉冲噪声和过载载荷，可自主识别并判断返回舱是否完成了弹盖开伞动作。天气晴朗时通过舷窗对地面进行观测，航天员可初步估计返回舱距离地面的高度，当距离地面很近直至1~2km时且一直未感受到弹盖开伞相关动作，此时航天员可决策发送手控指令启动回收着陆程序。通过以上分析，如果在理论计算的最晚弹盖开伞时间点即第三组高度开关接通之后还未弹盖开伞，航天员可手动控制发送指令，启动回收着陆工作程序，具体技术路径如图2。

图2 航天员手动控制启动回收着陆工作程序技术路径

当载人飞船平台给回收着陆分系统供电后，船载中央计算机设置零时（=0s）并开始计时，在统计的第一组高度开关接通时间点（1）通过仪表系统显示和语音播报的方式，提醒航天员注意第一组高度开关即将接通，当航天员能够亲身感受到弹盖开伞产生的振动冲击、脉冲噪声和开伞过载时，说明回收着陆工作程序正常启动，航天员无需参与后续回收着陆流程；当航天员未能感受到上述载荷环境时，说明第一组高度开关未能启动回收着陆程序，则继续等待第二组高度开关接通，同时航天员开始通过舷窗对地面进行观测，观察返回舱距离地面的高度。在计算的第二组高度开关接通时间点（2）仪表系统显示和语音播报第二组高度开关即将接通后，当航天员能够亲身感受到上述载荷环境时，说明第二组高度开关启动了回收着陆工作程序，航天员无需参与后续回收着陆流程。否则，航天员继续等待第三组高度开关接通，同时继续通过舷窗对地面进行观测并预估返回舱距离地面的高度。在计算的第三组高度开关接通时间点（3），当仪表显示和语音播报第三组高度开关即将接通后，若航天员仍未能感受到弹盖开伞产生的振动冲击、脉冲噪声和开伞过载时，说明高度控制装置均失效，在外界不介入的情况下，回收着陆工作程序将无法启动，此时在仪表显示与语音播报的提醒下，航天员应立即进行手动控制发送手控指令启动回收着陆工作程序。如果航天员能够感受到上述载荷环境时，说明回收着陆程序已启动，航天员无需参与后续回收着陆流程。

本文提出的基于航天员自主识别与控制的回收着陆模式，是对回收着陆分系统高度控制装置三组高度开关均未能启动回收着陆程序故障情况下的一种补救和完善措施，不影响现有回收着陆工作程序的执行，可进一步提高弹盖开伞的可靠性。

4 后续需研究的问题

要在工程上实现上述技术路径，以下问题有待进一步深入研究：

1）研究分析现有降落伞系统在低空1km左右高度开伞的适应能力；

2）如何准确地确定平台仪表显示和语音播报高度开关接通的时间起始点；

3）如何制定详细的手动控制弹盖开伞程序，防止航天员误操作并不影响现有工作模式的执行。

5 结束语

本文提出了一种基于航天员自主识别、判断和控制的回收着陆新模式，可以消除载人飞船回收着陆分系统自身故障情况下无法启动回收着陆工作程序的风险，提高了弹盖开伞可靠性，可作为后续进一步完善载人飞船回收着陆故障模式的参考。

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Research on Model of Recovery and Landing Based on Autonomous Identification and Control by Astronaut

PENG Huakang1,2HUANG Zhen2JIA Shijin2ZHANG Fang1SHAO Limin2

（1 College of Aerospace Engineering, NUAA, Nanjing 210016, China）（2 Institute of Manned Space System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

In order to address failing problem to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault, a new model of recovery and landing for manned-spaceship based on autonomous identification, judgment and control by astronauts is proposed in this paper. Firstly, the feasibility of manual control ergonomics, the references for the subjective identification and judgment of astronauts and the timing of manual instruction are discussed, and then the technical path of engineering implementation is analyzed. The results show that the astronauts could obtain the critical time information during the return of the re-entry module through the instrument display and voice broadcast system of manned spaceship, and judge that whether the parachute bay cover is launched to deploy the parachutes or not through feeling the vibration impact, impulse noise and overload of parachute deployment, meanwhile preliminarily estimate the height of the re-entry capsule by earth observation through the porthole when the weather is clear. The astronauts can conduct manual control and send manual control instructions to start the recovery and landing procedure when judging that it is unable to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault. This new model does not affect the execution of existing recovery and landing procedures, which is able to eliminate the risk of failing to start the recovery and landing procedure due to the recovery and landing subsystem’s own fault，and increase the reliability of launching parachute bay cover and deploying the parachutes.

astronaut; autonomous identification and control; manual control; recovery and landing

V525

A

1009-8518(2018)06-0030-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.004

2018-08-10

彭华康，男，1984年生，工程师，博士研究生。主要研究方向为载人航天器总体设计。E-mail：penghuakang@aliyun.com。

（编辑：刘颖）