月球取樣返回器回收半實物仿真系統研究

王海濤 程文科 秦子增

（國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙 410073）

0 引言

我國探月工程三期中，月球取樣返回器回收分系統對可靠性有很高的要求，需要進行大量的試驗和仿真研究。除了通過空投試驗對返回器回收分系統進行功能驗證和可靠性評估以外，半實物仿真試驗也是進行返回器回收分系統仿真試驗研究的一項重要的可靠性試驗。由于半實物仿真試驗系統是由返回器回收過程的動力學仿真程序和返回器上的回收控制器及壓力高度控制器等真實的硬件設施構成回路系統，因此，半實物仿真系統不但可以用于分析返回器回收過程中的各項動力學指標和參數，而且可以對系統中的返回器上的回收控制器和壓力高度控制器進行充分的測試和考核，為回收分系統高可靠性、高安全性和高性能等技術指標的實現提供強有力的保證[1-4]。

文獻[5-6]介紹了我國“神舟”系列載人飛船回收著陸分系統研制的半實物仿真系統，與其相比，月球取樣返回器回收分系統半實物仿真系統主要具有以下研制需求：

1）由于月球取樣返回器模型和回收流程的改變，需對仿真模型進行重新的修改、驗證和調試；

2）月球取樣返回器與載人飛船回收系統的程控裝置相比，其指令序列及接口也需要根據指令流程和信號技術指標研發相配套的回收控制器測試和輸入輸出（input/output,I/O）系統；

3）在月球取樣返回器程控自動測試和I/O裝置中，增加了壓力高度開關信號抖動模擬和程控裝置循環測試功能，這是“神舟”系列載人飛船回收系統的程控裝置所不具備的；

4）研制的環境壓力模擬裝置具有控制容積可變，控制壓力和啟動高度范圍大、適應范圍廣的特點，既可滿足月球取樣返回器半實物仿真需求，又方便于系統的升級和改造。

本文是對已經成功研制的月球取樣返回器回收分系統半實物仿真系統的總結，但由于系統涉及到動力學建模與實時仿真、環境壓力模擬、程控自動測試與I/O、可視化、混合網絡交互等眾多研究內容和關鍵技術，限于篇幅，本文僅就總體設計方案、系統結構和運行效果進行介紹。

1 回收半實物仿真系統架構

1.1 系統總體結構

圖1 半實物仿真系統結構Fig.1 The configuration of hardware-in-the-loop simulation system

其中回收仿真子系統是半實物仿真系統的核心，主要完成仿真管理、動力學仿真計算、結果數據管理等任務，同時具備曲線顯示功能。

程控自動測試與I/O子系統可單獨作為回收程序控制裝置的自動測試設備，在整個半實物仿真系統的回路中，該系統則是回收仿真子系統和回收程序控制裝置之間指令、數據的輸入輸出接口設備。

環境壓力模擬子系統可根據回收仿真子系統實時計算得到的期望壓力作為數據驅動，實時跟隨和模擬返回器取壓孔附近的環境壓力，為回收程序控制裝置中的壓力高度控制器提供一個真實的壓力環境。

可視化子系統可以根據回收仿真子系統的實時計算結果，通過網絡實時接收仿真計算結果數據，并驅動艙傘系統運動，以三維實體可視化的方式逼真地渲染整個返回器回收過程。

回收程序控制裝置是半實物仿真系統的重要設備，在整個半實物仿真回路中提供激勵信號，并響應反饋指令。

1.2 系統網絡環境

系統由回收仿真工作站、環境壓力模擬器、可視化工作站和程控自動測試與I/O裝置共4個節點組成。其中回收仿真工作站、可視化工作站和程控自動測試與I/O裝置3個節點通過以太交換網進行數據和指令交互，回收仿真工作站和環境壓力模擬器的數據交互通過控制器局域網絡（controller area network,CAN）實現，如圖2所示。CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線，回收仿真子系統與環境壓力模擬子系統之間的數據通信量很大，兩個子系統之間采取CAN總線實現實時網絡通信既可保證實時性、又可保證可靠性，且價格相對低廉[7-8]。

本研究將中老年民眾保健食品風險認知情況以李克特五級量表衡量(1=完全不同意，5=完全同意)，分值越高表示中老年民眾的風險認知水平越高。

圖2 半實物仿真系統網絡環境Fig.2 The communication environmentof hardware-in-the-loop simulation system

1.3 系統運行流程

以月球取樣返回器的正常返回過程為例，半實物仿真系統的運行流程如下：

1）主開關通指令發出后，回收程序控制裝置加電并啟動工作，與此同時，仿真程序開始運行，此時模型為單艙運行，并根據仿真狀態，不斷計算取壓孔處壓力并發送到壓力模擬裝置；同時壓力模擬裝置不斷模擬仿真程序提供的需求壓力；在每一個仿真步，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發出。

2）隨著返回器高度的不斷降低，壓力模擬裝置的壓力不斷增大，最終使壓力高度控制器開關接通，此時回收程序控制裝置設為第一個時間零點t1=0s，此時間零點也是回收程序控制器后續指令的時間零點。仿真程序繼續單艙運行。在每一個仿真步，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發出。

3）回收程序控制裝置發出彈傘艙蓋指令。仿真程序接到該指令后，調用彈蓋后系統的動力學模型開始仿真計算。依次進行減速傘拉直、充氣和全張滿過程的仿真計算，在這些計算的每一個仿真步中，仿真程序都檢測回收程序控制裝置是否有指令發出。

4）回收程序控制裝置發出拉主傘指令。仿真程序接到該指令后，依次計算脫減速傘、主傘拉直、充氣和全張滿過程。同時不斷檢測回收程序控制裝置是否有指令發出。

5）回收程序控制裝置發出“脫主傘保險解除”反饋指令，并由程控自動測試與I/O子系統記錄。

6）回收仿真子系統接收到“脫主傘保險解除”指令后，當返回器著陸產生沖擊過載后，仿真主程序向程控裝置發出“過載開關通”激勵指令，當接收到“過載開關通”反饋指令時，記時間零點t2=0s，此時間零點是“脫主傘”指令的時間零點。

7）回收程序控制裝置發出“脫主傘”反饋指令，并由程控自動測試與I/O子系統記錄，此時回收仿真系統的動力學仿真已結束。

在仿真過程中，回收仿真子系統按照設計要求向可視化子系統發送相關數據，以數據驅動其顯示功能。為了保證環境壓力模擬子系統調節壓力的精度和數據處理方便，環境壓力模擬子系統同時以CAN通訊的形式向動力學子系統發送當前壓力數據，回收仿真子系統仿真基本流程如圖3所示。

圖3 仿真基本流程Fig.3 The standard flow of simulation

1.4 系統新特點

月球取樣返回器回收半實物仿真系統的研制繼承了載人飛船回收著陸分系統半實物仿真系統的很多經驗，然而比較而言也有很多創新和改進的地方，新系統的創新之處主要有：

1）程控自動測試與I/O子系統。載人飛船回收著陸分系統半實物仿真系統的程控自動測試與I/O子系統在程控數據采集以及上位機和下位機的交互部分基本上都是數字量，而月球取樣返回器回收半實物仿真系統的程控自動測試與I/O子系統在此部分基本都是模擬量，數據傳輸和采集機制有著根本性的改變，數據傳輸量大，實時性要求高，工作量大；而且子系統增加了模擬飛行過程中壓力高度控制開關信號的抖動測試功能，增加了對回收控制器進行可重復連續的可靠性測試功能的功能。

2）環境壓力模擬子系統。環境壓力模擬器主要是在模擬精度以及系統的可擴展性和適用性方面做出較大的改進和提高，采用了可靠性更高、功率更大的真空泵以及更高精度的測量和控制傳感器，對壓力容腔接口進行設計，使其可適用于不同型號壓力高度控制開關和壓力容腔的壓力環境模擬。

3）回收動力學仿真子系統。根據月球取樣返回器回收系統的工作過程和故障模式建立相應模型和編制相關程序，增加艙傘組合體與傘艙蓋和艙蓋傘組合體之間相對運動模塊的分析，利用空投試驗結果對仿真精度進行驗證，對和程控自動測試、I/O子系統以及壓力環境模擬子系統的通訊部分進行相應的模塊編制。另外，載人飛船回收半實物仿真系統中的曲線顯示子系統的功能在月球取樣返回器回收半實物仿真系統中被完全移植到回收動力學子系統。

4）可視化子系統。根據月球取樣返回器回收系統的工作過程進行相關實體模型和動作時序的改進和調整。

2 回收半實物仿真系統動力學模型

月球取樣返回器的回收半實物仿真動力學模塊的實現依據分層建模思想，仿真框架包含 4個層次：基礎層、專業層、特化層、交互層，動力學仿真類庫結構如圖4所示。基礎層是在各仿真領域完全通用的算法；專業層則封裝了在降落傘系統動力學領域通用的模型和算法；特化層在前兩層之上加入了具體系統模型的特點；交互層為最頂層，主要完成與用戶的交互工作。各個層次也采用分層設計，每層又分為若干子層。利用面向對象方法中繼承的概念，可以在子層的類庫加入新的仿真模型，從而實現仿真框架的擴充[9-10]。

圖4 動力學仿真類庫結構Fig.4 The configuration of class libraries for dynam ic simulation

利用開發的仿真類庫，將月球取樣返回器正常返回流程進行分階段建模，可以開發出其整個回收過程和設定回收流程的動力學仿真程序，正常情況下月球取樣返回器回收系統工作流程，如圖5所示。

圖5 回收系統工作流程Fig.5 Thework flow of recovery system

3 仿真結果試驗

在完成月球取樣返回器回收半實物仿真系統的研制工作后，需要對系統的仿真精度進行驗證分析。限于篇幅，本文主要列出于2013年12月份針對月球取樣返回器回收系統進行的3個典型架次空投試驗的主傘開傘力峰值以及1個架次的主傘開傘力、高度、速度和擺角隨時間變化的驗證對比分析。

表1是典型3個架次的開傘力峰值比較，由比較可知，仿真預測的主傘一級和二級開傘力峰值略偏大于實際測量值，但偏差在8%以內，最小偏差僅0.3%，可認為經充氣模型修正后，主傘的開傘力預測精度基本滿足任務設計需求。

表1 開傘力峰值的驗證Tab.1 Validation of peak value of parachute opening force

圖6是典型架次的主傘開傘力、高度、速度和擺角的仿真計算結果的試驗驗證，由圖可以看出，在開傘力和軌跡方面，仿真系統的預測精度比較高，完全可以滿足任務需求。而姿態方面，目前仿真預測的擺角幅度稍大于實測幅度約2o，預測擺動周期低于實測擺動周期1～2s。

在半實物仿真的正常回收流程中，表2列出關鍵指令的設計時序和實際指令時序的偏差，經比較，半實物仿真系統的仿真實時性完全可以滿足仿真需求。

表2 時序精度Tab.2 Precision of scheduling

圖7為半實物仿真返回器接近開傘點時取壓孔壓力變化，圖中期望壓力為回收著陸動力學仿真子系統向環境壓力模擬子系統發送的壓力值，反饋壓力為環境壓力模擬裝置封閉容腔內的模擬壓力。從圖中可以看出，環境壓力模擬裝置的壓力控制響應速度、穩態精度、動態精度、上升響應速度都在設計范圍內，數據分析表明其反饋壓力與期望壓力的誤差一般不超過50Pa，遠遠小于壓力高度控制器的工作誤差范圍。

圖7 返回器開傘點附近取壓孔壓力變化Fig.7 The pressure around the deploy time of lunar return spacecraft

4 結束語

本文從總體的角度介紹了針對我國探月工程三期中月球取樣返回器回收分系統開發的半實物仿真系統，該半實物仿真系統可適用于各種回收工作模式下月球取樣返回器整個回收著陸過程的性能分析和研究，利用該試驗平臺可開展大量的可重復的半實物仿真試驗。月球取樣返回器回收分系統半實物仿真系統不僅可以對返回器的整個回收過程進行動力學仿真和可視化輸出，對相應回收過程的動力學特性進行分析研究，而且可為回收分系統總體設計、回收飛行方案和壓力控制開關、程序控制器提供可視化仿真分析、評估、驗證與自動化測試技術支持，半實物仿真試驗研究結果可為我國月球取樣返回器回收分系統的評定提供重要參考。

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