吳卓 張文博 林汝領(lǐng) 任雅麗 王景龍 付春慧

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

隨著我國(guó)航天工程的高速發(fā)展,航天器對(duì)回收系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,主要體現(xiàn)在回收的質(zhì)量越來(lái)越大,可靠性要求也越來(lái)越高。

獵戶(hù)座(Orion)飛船是美國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)的新一代載人飛船[1-2],其回收系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上繼承了Apollo飛船成熟的群傘方案,同時(shí)在研制過(guò)程中采用了較為先進(jìn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法,大幅地減少了空投試驗(yàn)數(shù)量,2017年完成了設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和鑒定,是美國(guó)回收系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的集中體現(xiàn)。

本文總結(jié)了獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)的情況,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行了介紹。獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)在試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和仿真分析等方面均有較為先進(jìn)的研制經(jīng)驗(yàn),有利于全面地掌握回收系統(tǒng)的性能。

1 回收系統(tǒng)的功能和組成

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)要完成3個(gè)主要功能:輔助分離前艙蓋;減速并穩(wěn)定飛船;使飛船達(dá)到穩(wěn)定著陸速度[3]。

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)要求如下:

(1)減速傘開(kāi)傘動(dòng)壓7900Pa,開(kāi)傘速度Ma 0.7;

(2)最大開(kāi)傘海拔高度7600m,最小開(kāi)傘海拔高度約1200m(逃逸模式);

(3)著陸質(zhì)量約9070kg,在海平面的著陸速度不超過(guò)10m/s(標(biāo)準(zhǔn)日)。

在設(shè)計(jì)上,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)借鑒了Apollo飛船回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì),采用了群傘系統(tǒng),且降落傘間互為熱備份,任何一頂降落傘失效,系統(tǒng)仍能滿足要求。獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)的主要組成和參數(shù)見(jiàn)表1[3]。

表1 獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)的主要組成和參數(shù)Table 1 Main composition and parameters of Orion spacecraft recovery system

在工作程序的設(shè)計(jì)上,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)兼顧了不同工況,如圖1所示[2]。在正常工況和高空救生工況下,采用前艙蓋傘、減速傘和引導(dǎo)傘分別彈射的方式和引導(dǎo)傘拉出主傘的方式實(shí)現(xiàn)各級(jí)傘展開(kāi)。在低空逃逸情況下,采用前艙蓋傘和引導(dǎo)傘分別彈射的方式和引導(dǎo)傘直接拉出主傘的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)傘,減速傘不工作。

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)上充分考慮到了系統(tǒng)的可靠性,沒(méi)有采用常規(guī)的減速傘拉出主傘的設(shè)計(jì),而是重新彈射引導(dǎo)傘拉出主傘,避免故障產(chǎn)品對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的影響,同時(shí)兼顧低空逃逸工況。此外,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)在完成每一項(xiàng)功能時(shí)均采用群傘,并保證群傘中任何一頂降落傘失效仍能滿足性能要求,極大程度地提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 空投試驗(yàn)概述

為驗(yàn)證回收系統(tǒng)的功能和性能,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)共進(jìn)行了4個(gè)階段的空投試驗(yàn),前3個(gè)階段的空投試驗(yàn)為研制性試驗(yàn),第4個(gè)階段的空投試驗(yàn)為鑒定性試驗(yàn)。相對(duì)于Apollo飛船回收系統(tǒng),獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)的回收質(zhì)量大幅提高,且在每一階段研制完成后不再進(jìn)行鑒定試驗(yàn),而是完成所有研制后進(jìn)行一次鑒定試驗(yàn)。同時(shí),通過(guò)引入新的試驗(yàn)測(cè)量手段和仿真分析,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)大幅的減少了空投試驗(yàn)數(shù)量,從Apollo飛船的145次減少到了44次[4-5]。

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)第1階段空投試驗(yàn)從2007年開(kāi)始,到2008年結(jié)束,共進(jìn)行了13次,主要驗(yàn)證了單傘的性能,獲得了單傘的充氣參數(shù),并驗(yàn)證了投放系統(tǒng);第2階段空投試驗(yàn)從2009年開(kāi)始,到2010年結(jié)束,共進(jìn)行了6次,主要考察了故障模式,并對(duì)降落傘進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證,包括主傘繩長(zhǎng)比和結(jié)構(gòu)透氣量的優(yōu)化,提高了主傘的穩(wěn)定性[6];第3階段空投試驗(yàn)從2011年開(kāi)始,到2016年結(jié)束,共進(jìn)行了17次,主要驗(yàn)證了回收系統(tǒng)在正常模式和故障模式下的性能;第4階段空投試驗(yàn)為鑒定試驗(yàn),從2011年開(kāi)始,到2016年結(jié)束,共進(jìn)行了8次,主要對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行鑒定[7-11]。

在4個(gè)階段試驗(yàn)中,第3階段空投試驗(yàn)是核心研制試驗(yàn),驗(yàn)證了不同開(kāi)傘條件和故障模式下回收系統(tǒng)的性能,試驗(yàn)情況見(jiàn)表2[5]。通過(guò)各架次的試驗(yàn)工況可以看出:第3階段空投試驗(yàn)主要驗(yàn)證故障工況下回收系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況和載荷情況,有利于全面地掌握回收系統(tǒng)的性能。這些故障工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ),使仿真分析更為可靠,達(dá)到減少空投試驗(yàn)數(shù)量的目的。

表2 獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)第3階段空投試驗(yàn)情況表Table 2 Phase 3 airdrop tests summary of Orion spacecraft recovery system

空投試驗(yàn)CDT-3-1的具體實(shí)施情況如圖2所示[10]。試驗(yàn)在實(shí)施時(shí)通過(guò)投放平臺(tái)拉出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?隨后模型與投放平臺(tái)分離,投放平臺(tái)通過(guò)2頂主傘回收。模型首先展開(kāi)2頂程序降落傘,使其達(dá)到試驗(yàn)需要的高度和速度,之后彈射出2頂減速傘或前艙蓋傘,進(jìn)入到回收系統(tǒng)工作階段。

3 空投試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在空投試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方面,獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)結(jié)合仿真對(duì)充氣參數(shù)開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)分析,獲得了降落傘的阻力特性包絡(luò),并采用圖像測(cè)量和分析,得到了群傘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,進(jìn)一步掌握了群傘系統(tǒng)的減速性能。

3.1 充氣參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

降落傘阻力特性的仿真精度取決于對(duì)其充氣過(guò)程阻力面積變化的模擬,充氣參數(shù)是模擬降落傘充氣過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)。為獲得較為準(zhǔn)確的充氣參數(shù),需要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行重構(gòu),即利用仿真模型對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行重新模擬,使仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差最小。試驗(yàn)重構(gòu)可以獲取到與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最吻合的降落傘充氣參數(shù)。

獵戶(hù)座飛船的試驗(yàn)重構(gòu)采用參數(shù)優(yōu)化的方法,將充氣參數(shù)做為優(yōu)化參數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為最小化仿真的阻力面積變化曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線之間的偏差面積。主傘一級(jí)收口階段阻力面積變化的重構(gòu)如圖3所示[12]。優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)即為此次空投試驗(yàn)的重構(gòu)充氣參數(shù)。

圖3 主傘一級(jí)收口階段阻力面積變化的重構(gòu)Fig.3 Reconstruction of main parachute drag area growth curve at first reefing stage

在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)重構(gòu),可以得到許多降落傘重構(gòu)充氣參數(shù),對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到充氣參數(shù)的分布規(guī)律和試驗(yàn)數(shù)據(jù)包絡(luò)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)包絡(luò)基礎(chǔ)上,增加一個(gè)系數(shù),作為充氣參數(shù)的選取包絡(luò)。在選取包絡(luò)內(nèi)按照分布規(guī)律隨機(jī)選取充氣參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真,防止因選取包絡(luò)外充氣參數(shù)導(dǎo)致的不合理數(shù)據(jù),從而最終得到降落傘阻力特性的包絡(luò)[13]。這種分析方法保證了仿真結(jié)果的可靠性,有利于減少空投試驗(yàn)數(shù)量。

按照上述方法,對(duì)獵戶(hù)座飛船的前艙蓋傘、減速傘和主傘的充氣參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分析結(jié)果表明:重構(gòu)充氣參數(shù)的分布均符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布,同時(shí)根據(jù)仿真模型,可以進(jìn)一步得到降落傘的充氣過(guò)程阻力面積變化包絡(luò),為降落傘的強(qiáng)度校核以及其它工況試驗(yàn)中載荷的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。其中,主傘的重構(gòu)充氣參數(shù)(傘衣充氣距離常數(shù)和輪廓形狀指數(shù))符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布,按照這一分布隨機(jī)選取參數(shù),進(jìn)行了20萬(wàn)次的仿真分析,將仿真中2個(gè)充氣參數(shù)和其組合的頻次作為3個(gè)維度建立了參數(shù)組合包絡(luò)和分布的柱狀圖,如圖4所示[14]。圖4中淺藍(lán)色點(diǎn)為2頂主傘試驗(yàn)數(shù)據(jù),深藍(lán)色點(diǎn)為3頂主傘試驗(yàn)數(shù)據(jù),紅色線條為統(tǒng)計(jì)分析邊界,藍(lán)色線條為試驗(yàn)數(shù)據(jù)包絡(luò),黑色線條為選取包絡(luò),20萬(wàn)次仿真得到了主傘一級(jí)收口階段阻力面積變化曲線的包絡(luò),如圖5所示[14]。根據(jù)一級(jí)收口階段的阻力面積變化包絡(luò),可以計(jì)算出主傘一級(jí)收口階段的開(kāi)傘載荷包絡(luò),為主傘的一級(jí)收口階段的強(qiáng)度校核提供依據(jù)。

圖4 主傘充氣參數(shù)選取包絡(luò)和分布Fig.4 Distributions boundary of inflation parameters of main parachute

3.2 群傘運(yùn)動(dòng)和載荷的圖像分析

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)中采用了直升機(jī)伴飛攝像和艙載攝像來(lái)獲取圖像數(shù)據(jù),并創(chuàng)新地將這些圖像作為數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,與試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)相互印證,得到降落傘的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況和局部載荷情況,為精細(xì)化仿真模型和降落傘的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

降落傘與飛船之間的相對(duì)位置通過(guò)外偏角來(lái)確定,降落傘與飛船的鐘擺運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)擺動(dòng)角來(lái)確定,外偏角為單傘與外偏軸的成角,擺動(dòng)角為外偏軸與豎直方向的成角,外偏軸為多個(gè)單傘載荷向量的合成向量方向,如圖6所示[15]。由試驗(yàn)的過(guò)載數(shù)據(jù)算出的群傘總阻力面積要小于由單傘載荷數(shù)據(jù)算出的單傘阻力面積的總和。考慮外偏角后,群傘總阻力面積為單傘阻力面積與其外偏角的余弦乘積之和,這使得過(guò)載數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)吻合較好。

外偏角的大小與傘衣的載荷成反比,即降落傘數(shù)目越少,飛船越重,則外偏角越小[16]。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中外偏角的統(tǒng)計(jì)分析,可以建立單傘外偏角的變化模型,可用于對(duì)群傘阻力面積進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。

除了單傘擺動(dòng)外,群傘系統(tǒng)與飛船在穩(wěn)降過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)鐘擺運(yùn)動(dòng),其對(duì)群傘的阻力面積和飛船的姿態(tài)有很大影響,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的下降速度產(chǎn)生影響,如圖7所示[17]。圖7中,黃色方框部分即為兩頂主傘發(fā)生鐘擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度變化曲線。通過(guò)曲線可以看出:鐘擺運(yùn)動(dòng)中系統(tǒng)的下降速度變化較大,最大的下降速度已超過(guò)了技術(shù)要求。多次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),兩傘組成的群傘系統(tǒng)有概率會(huì)發(fā)生鐘擺運(yùn)動(dòng)。三傘組成的群傘系統(tǒng)出現(xiàn)鐘擺運(yùn)動(dòng)的概率較小,只會(huì)在3頂傘處于同一條直線上時(shí)發(fā)生[17]。早期空投試驗(yàn)中群傘的鐘擺運(yùn)動(dòng)情況見(jiàn)表3[17]。

外偏角和擺動(dòng)角對(duì)群傘系統(tǒng)的阻力面積影響較大,進(jìn)而影響系統(tǒng)的下降速度。為提高穩(wěn)定性,對(duì)獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)故障情況下兩傘的鐘擺運(yùn)動(dòng)開(kāi)展了理論分析和仿真建模,經(jīng)分析認(rèn)為:在渦環(huán)中降落傘的氣動(dòng)不穩(wěn)定性是鐘擺運(yùn)動(dòng)的根本原因,并通過(guò)縮比主傘的風(fēng)洞試驗(yàn)和縮比空投試驗(yàn)以及3次全尺寸試驗(yàn)(CDT-3-15、16、17)驗(yàn)證了永久性收口繩、過(guò)充控制繩和縮短吊帶3項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制,有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能證明改進(jìn)有效,且這些改進(jìn)均會(huì)在一定程度上減小群傘的阻力面積,影響正常情況下(3頂主傘)回收系統(tǒng)的性能,因此這些改進(jìn)最終均未采用[18]。

此外,結(jié)合直升機(jī)伴飛攝像和艙載攝像,可以建立降落傘的三維模型,如圖8所示[19-20]。傘衣的三維模型可以用來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算降落傘的體積和附加質(zhì)量的變化,提高仿真分析的可信度[21],并能結(jié)合載荷和氣動(dòng)數(shù)據(jù)分析傘衣上的應(yīng)力分布,為降落傘設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

圖8 充氣過(guò)程三維傘衣模型Fig.8 3-D canopy models at inflation stages

大多數(shù)獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)的空投試驗(yàn)至少采用一架直升機(jī)進(jìn)行伴飛拍攝,有的空投試驗(yàn)利用多架直升機(jī)在不同高度進(jìn)行拍攝,捕捉關(guān)鍵動(dòng)作時(shí)刻。其中,收口展開(kāi)過(guò)程的圖像可以用來(lái)分析收口繩上的載荷[22]。

3.3 數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)分析

獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用可以使試驗(yàn)與仿真緊密的結(jié)合在一起,一方面通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提高了仿真精度;另一方面仿真為規(guī)劃試驗(yàn)工況提供依據(jù),縮減了試驗(yàn)次數(shù),其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)。

1)合理的充氣參數(shù)

為適應(yīng)不同的降落傘,降落傘充氣模型需要按照單位面積載荷大小建立無(wú)限質(zhì)量模型和有限質(zhì)量模型,通過(guò)充氣參數(shù)驅(qū)動(dòng)來(lái)建立降落傘阻力面積變化曲線,不同模型的充氣參數(shù)不同。同時(shí),為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重構(gòu),需要充氣參數(shù)的分布符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,且每個(gè)模型內(nèi)的多個(gè)充氣參數(shù)是相對(duì)獨(dú)立的。否則,在進(jìn)行仿真分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)不合理情況。因此,設(shè)計(jì)合理的充氣參數(shù)是充氣參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。

獵戶(hù)座飛船的降落傘充氣模型中選取傘衣充氣常數(shù)、輪廓形狀指數(shù)、過(guò)充系數(shù)等作為充氣參數(shù)。降落傘充氣過(guò)程的模型較多,其它模型和充氣參數(shù)是否更適合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析有待進(jìn)一步研究。

2)試驗(yàn)的重構(gòu)方法

在對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行重構(gòu)時(shí),重構(gòu)后的數(shù)據(jù)不可能與試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致,需要建立重構(gòu)目標(biāo),以確定試驗(yàn)相應(yīng)的充氣參數(shù)。此外,為了適應(yīng)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),需要建立批量重構(gòu)的方法。

獵戶(hù)座飛船的試驗(yàn)重構(gòu)采用優(yōu)化的模式,將充氣參數(shù)做為優(yōu)化參數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為最小化仿真的阻力面積變化曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線之間的偏差面積。優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)即為空投試驗(yàn)的重構(gòu)參數(shù)。

3)伴飛圖像的獲取

回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)在空投試驗(yàn)中伴飛圖像的獲取。一般情況下,伴飛圖像需要采用直升機(jī)在預(yù)定高度拍攝,拍攝位置應(yīng)盡量與降落傘處于同一水平面,拍攝的降落傘動(dòng)作應(yīng)為所需動(dòng)作,如開(kāi)傘、收口展開(kāi)和穩(wěn)定過(guò)程等。同時(shí),直升機(jī)應(yīng)與空投模型保持一定的安全距離。為獲取更為準(zhǔn)確的圖像資料,同一高度有時(shí)需要采用2架直升機(jī)從不同方位拍攝。此外,伴飛拍攝、艙上拍攝和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)要做到統(tǒng)一授時(shí),以便分析時(shí)進(jìn)行同一時(shí)刻的比對(duì)。

4 啟示與建議

作為美國(guó)下一代載人飛船,獵戶(hù)座飛船采用了先進(jìn)的回收系統(tǒng),其在系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的規(guī)劃、仿真分析等方面均有值得參考的經(jīng)驗(yàn)。本文通過(guò)對(duì)獵戶(hù)座飛船回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析方法的分析,對(duì)航天器回收系統(tǒng)的研制,特別是群傘系統(tǒng),提出以下幾點(diǎn)啟示和建議。

(1)群傘系統(tǒng)的空投試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)從單傘到群傘,群傘的空投試驗(yàn)建議以故障工況為主,有利于全面地掌握群傘系統(tǒng)的性能。

(2)回收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析應(yīng)與仿真分析相結(jié)合,通過(guò)仿真重構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù),獲取相對(duì)真實(shí)的降落傘充氣參數(shù),并建議引入統(tǒng)計(jì)方法,建立充氣參數(shù)包絡(luò),從而獲得降落傘的阻力特性包絡(luò),保證仿真分析的可靠性,縮減空投試驗(yàn)次數(shù)。

(3)回收系統(tǒng)的空投試驗(yàn)建議引入圖像分析,通過(guò)圖像,可以分析降落傘的運(yùn)動(dòng)情況,有助于獲得更準(zhǔn)確的降落傘性能,還可以分析降落傘的形狀變化,獲取傘衣上的應(yīng)力分布,為降落傘設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。