獵戶座飛船回收系統空投試驗與數據分析

吳卓 張文博 林汝領 任雅麗 王景龍 付春慧

(北京空間機電研究所,北京 100094)

隨著我國航天工程的高速發展,航天器對回收系統的要求越來越高,主要體現在回收的質量越來越大,可靠性要求也越來越高。

獵戶座(Orion)飛船是美國開展深空探測的新一代載人飛船[1-2],其回收系統在設計上繼承了Apollo飛船成熟的群傘方案,同時在研制過程中采用了較為先進的試驗數據分析方法,大幅地減少了空投試驗數量,2017年完成了設計、試驗和鑒定,是美國回收系統先進技術的集中體現。

本文總結了獵戶座飛船回收系統空投試驗的情況,對試驗數據的分析進行了介紹。獵戶座飛船回收系統在試驗、數據分析和仿真分析等方面均有較為先進的研制經驗,有利于全面地掌握回收系統的性能。

1 回收系統的功能和組成

獵戶座飛船回收系統要完成3個主要功能:輔助分離前艙蓋;減速并穩定飛船;使飛船達到穩定著陸速度[3]。

獵戶座飛船回收系統的主要設計要求如下:

(1)減速傘開傘動壓7900Pa,開傘速度Ma 0.7;

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

(3)著陸質量約9070kg,在海平面的著陸速度不超過10m/s(標準日)。

在設計上,獵戶座飛船回收系統借鑒了Apollo飛船回收系統的設計,采用了群傘系統,且降落傘間互為熱備份,任何一頂降落傘失效,系統仍能滿足要求。獵戶座飛船回收系統的主要組成和參數見表1[3]。

表1 獵戶座飛船回收系統的主要組成和參數Table 1 Main composition and parameters of Orion spacecraft recovery system

在工作程序的設計上,獵戶座飛船回收系統兼顧了不同工況,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、減速傘和引導傘分別彈射的方式和引導傘拉出主傘的方式實現各級傘展開。在低空逃逸情況下,采用前艙蓋傘和引導傘分別彈射的方式和引導傘直接拉出主傘的方式實現開傘,減速傘不工作。

獵戶座飛船回收系統在方案設計上充分考慮到了系統的可靠性,沒有采用常規的減速傘拉出主傘的設計,而是重新彈射引導傘拉出主傘,避免故障產品對后續產品的影響,同時兼顧低空逃逸工況。此外,獵戶座飛船回收系統在完成每一項功能時均采用群傘,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的可靠性。

2 空投試驗概述

為驗證回收系統的功能和性能,獵戶座飛船回收系統共進行了4個階段的空投試驗,前3個階段的空投試驗為研制性試驗,第4個階段的空投試驗為鑒定性試驗。相對于Apollo飛船回收系統,獵戶座飛船回收系統的回收質量大幅提高,且在每一階段研制完成后不再進行鑒定試驗,而是完成所有研制后進行一次鑒定試驗。同時,通過引入新的試驗測量手段和仿真分析,獵戶座飛船回收系統大幅的減少了空投試驗數量,從Apollo飛船的145次減少到了44次[4-5]。

獵戶座飛船回收系統第1階段空投試驗從2007年開始,到2008年結束,共進行了13次,主要驗證了單傘的性能,獲得了單傘的充氣參數,并驗證了投放系統;第2階段空投試驗從2009年開始,到2010年結束,共進行了6次,主要考察了故障模式,并對降落傘進行了設計改進驗證,包括主傘繩長比和結構透氣量的優化,提高了主傘的穩定性[6];第3階段空投試驗從2011年開始,到2016年結束,共進行了17次,主要驗證了回收系統在正常模式和故障模式下的性能;第4階段空投試驗為鑒定試驗,從2011年開始,到2016年結束,共進行了8次,主要對全系統進行鑒定[7-11]。

在4個階段試驗中,第3階段空投試驗是核心研制試驗,驗證了不同開傘條件和故障模式下回收系統的性能,試驗情況見表2[5]。通過各架次的試驗工況可以看出:第3階段空投試驗主要驗證故障工況下回收系統的運動情況和載荷情況,有利于全面地掌握回收系統的性能。這些故障工況的試驗數據是后續統計分析的基礎,使仿真分析更為可靠,達到減少空投試驗數量的目的。

表2 獵戶座飛船回收系統第3階段空投試驗情況表Table 2 Phase 3 airdrop tests summary of Orion spacecraft recovery system

空投試驗CDT-3-1的具體實施情況如圖2所示[10]。試驗在實施時通過投放平臺拉出試驗模型,隨后模型與投放平臺分離,投放平臺通過2頂主傘回收。模型首先展開2頂程序降落傘,使其達到試驗需要的高度和速度,之后彈射出2頂減速傘或前艙蓋傘,進入到回收系統工作階段。

3 空投試驗數據分析

在空投試驗數據分析方面,獵戶座飛船回收系統結合仿真對充氣參數開展了統計分析,獲得了降落傘的阻力特性包絡,并采用圖像測量和分析,得到了群傘的運動規律,進一步掌握了群傘系統的減速性能。

3.1 充氣參數的統計分析

降落傘阻力特性的仿真精度取決于對其充氣過程阻力面積變化的模擬,充氣參數是模擬降落傘充氣過程的關鍵參數。為獲得較為準確的充氣參數,需要對試驗進行重構,即利用仿真模型對試驗過程進行重新模擬,使仿真結果與試驗數據的誤差最小。試驗重構可以獲取到與試驗數據最吻合的降落傘充氣參數。

獵戶座飛船的試驗重構采用參數優化的方法,將充氣參數做為優化參數,優化目標為最小化仿真的阻力面積變化曲線與試驗數據曲線之間的偏差面積。主傘一級收口階段阻力面積變化的重構如圖3所示[12]。優化后得到的最優參數即為此次空投試驗的重構充氣參數。

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

在大量試驗數據的基礎上,通過重構,可以得到許多降落傘重構充氣參數,對這些參數進行統計分析,得到充氣參數的分布規律和試驗數據包絡。在試驗數據包絡基礎上,增加一個系數,作為充氣參數的選取包絡。在選取包絡內按照分布規律隨機選取充氣參數對系統的運動過程進行仿真,防止因選取包絡外充氣參數導致的不合理數據,從而最終得到降落傘阻力特性的包絡[13]。這種分析方法保證了仿真結果的可靠性,有利于減少空投試驗數量。

按照上述方法,對獵戶座飛船的前艙蓋傘、減速傘和主傘的充氣參數進行了統計分析,分析結果表明:重構充氣參數的分布均符合正態分布或對數正態分布,同時根據仿真模型,可以進一步得到降落傘的充氣過程阻力面積變化包絡,為降落傘的強度校核以及其它工況試驗中載荷的預測提供依據。其中,主傘的重構充氣參數(傘衣充氣距離常數和輪廓形狀指數)符合對數正態分布,按照這一分布隨機選取參數,進行了20萬次的仿真分析,將仿真中2個充氣參數和其組合的頻次作為3個維度建立了參數組合包絡和分布的柱狀圖,如圖4所示[14]。圖4中淺藍色點為2頂主傘試驗數據,深藍色點為3頂主傘試驗數據,紅色線條為統計分析邊界,藍色線條為試驗數據包絡,黑色線條為選取包絡,20萬次仿真得到了主傘一級收口階段阻力面積變化曲線的包絡,如圖5所示[14]。根據一級收口階段的阻力面積變化包絡,可以計算出主傘一級收口階段的開傘載荷包絡,為主傘的一級收口階段的強度校核提供依據。

圖4 主傘充氣參數選取包絡和分布Fig.4 Distributions boundary of inflation parameters of main parachute

3.2 群傘運動和載荷的圖像分析

獵戶座飛船回收系統空投試驗中采用了直升機伴飛攝像和艙載攝像來獲取圖像數據,并創新地將這些圖像作為數據進行深入分析,與試驗的測量數據相互印證,得到降落傘的真實運動情況和局部載荷情況,為精細化仿真模型和降落傘的設計改進提供依據。

降落傘與飛船之間的相對位置通過外偏角來確定,降落傘與飛船的鐘擺運動情況通過擺動角來確定,外偏角為單傘與外偏軸的成角,擺動角為外偏軸與豎直方向的成角,外偏軸為多個單傘載荷向量的合成向量方向,如圖6所示[15]。由試驗的過載數據算出的群傘總阻力面積要小于由單傘載荷數據算出的單傘阻力面積的總和?？紤]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,這使得過載數據和載荷數據吻合較好。

外偏角的大小與傘衣的載荷成反比,即降落傘數目越少,飛船越重,則外偏角越小[16]。通過對試驗中外偏角的統計分析,可以建立單傘外偏角的變化模型,可用于對群傘阻力面積進行較為準確的模擬。

除了單傘擺動外,群傘系統與飛船在穩降過程中還會出現鐘擺運動,其對群傘的阻力面積和飛船的姿態有很大影響,進而對系統的下降速度產生影響,如圖7所示[17]。圖7中,黃色方框部分即為兩頂主傘發生鐘擺運動時的速度變化曲線。通過曲線可以看出:鐘擺運動中系統的下降速度變化較大,最大的下降速度已超過了技術要求。多次試驗還發現,兩傘組成的群傘系統有概率會發生鐘擺運動。三傘組成的群傘系統出現鐘擺運動的概率較小,只會在3頂傘處于同一條直線上時發生[17]。早期空投試驗中群傘的鐘擺運動情況見表3[17]。

外偏角和擺動角對群傘系統的阻力面積影響較大,進而影響系統的下降速度。為提高穩定性,對獵戶座飛船回收系統故障情況下兩傘的鐘擺運動開展了理論分析和仿真建模,經分析認為:在渦環中降落傘的氣動不穩定性是鐘擺運動的根本原因,并通過縮比主傘的風洞試驗和縮比空投試驗以及3次全尺寸試驗(CDT-3-15、16、17)驗證了永久性收口繩、過充控制繩和縮短吊帶3項改進設計。受時間和經費的限制,有限的試驗數據不能證明改進有效,且這些改進均會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)回收系統的性能,因此這些改進最終均未采用[18]。

此外,結合直升機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準確計算降落傘的體積和附加質量的變化,提高仿真分析的可信度[21],并能結合載荷和氣動數據分析傘衣上的應力分布,為降落傘設計改進提供依據。

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

大多數獵戶座飛船回收系統的空投試驗至少采用一架直升機進行伴飛拍攝,有的空投試驗利用多架直升機在不同高度進行拍攝,捕捉關鍵動作時刻。其中,收口展開過程的圖像可以用來分析收口繩上的載荷[22]。

3.3 數據分析的關鍵技術分析

獵戶座飛船回收系統空投試驗的數據分析和應用可以使試驗與仿真緊密的結合在一起,一方面通過試驗數據提高了仿真精度;另一方面仿真為規劃試驗工況提供依據,縮減了試驗次數,其關鍵技術有以下幾點。

1)合理的充氣參數

為適應不同的降落傘,降落傘充氣模型需要按照單位面積載荷大小建立無限質量模型和有限質量模型,通過充氣參數驅動來建立降落傘阻力面積變化曲線,不同模型的充氣參數不同。同時,為了能夠實現對大量試驗數據的重構,需要充氣參數的分布符合統計規律,且每個模型內的多個充氣參數是相對獨立的。否則,在進行仿真分析時會出現不合理情況。因此,設計合理的充氣參數是充氣參數統計分析的基礎。

獵戶座飛船的降落傘充氣模型中選取傘衣充氣常數、輪廓形狀指數、過充系數等作為充氣參數。降落傘充氣過程的模型較多,其它模型和充氣參數是否更適合進行統計分析有待進一步研究。

2)試驗的重構方法

在對試驗進行重構時,重構后的數據不可能與試驗數據完全一致,需要建立重構目標,以確定試驗相應的充氣參數。此外,為了適應大量的試驗數據,需要建立批量重構的方法。

獵戶座飛船的試驗重構采用優化的模式,將充氣參數做為優化參數,優化目標為最小化仿真的阻力面積變化曲線與試驗數據曲線之間的偏差面積。優化后得到的最優參數即為空投試驗的重構參數。

3)伴飛圖像的獲取

回收系統空投試驗圖像數據分析的關鍵技術在空投試驗中伴飛圖像的獲取。一般情況下,伴飛圖像需要采用直升機在預定高度拍攝,拍攝位置應盡量與降落傘處于同一水平面,拍攝的降落傘動作應為所需動作,如開傘、收口展開和穩定過程等。同時,直升機應與空投模型保持一定的安全距離。為獲取更為準確的圖像資料,同一高度有時需要采用2架直升機從不同方位拍攝。此外,伴飛拍攝、艙上拍攝和試驗測量數據要做到統一授時,以便分析時進行同一時刻的比對。

4 啟示與建議

作為美國下一代載人飛船,獵戶座飛船采用了先進的回收系統,其在系統方案的設計、試驗的規劃、仿真分析等方面均有值得參考的經驗。本文通過對獵戶座飛船回收系統空投試驗和數據分析方法的分析,對航天器回收系統的研制,特別是群傘系統,提出以下幾點啟示和建議。

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

(2)回收系統的數據分析應與仿真分析相結合,通過仿真重構試驗數據,獲取相對真實的降落傘充氣參數,并建議引入統計方法,建立充氣參數包絡,從而獲得降落傘的阻力特性包絡,保證仿真分析的可靠性,縮減空投試驗次數。

(3)回收系統的空投試驗建議引入圖像分析,通過圖像,可以分析降落傘的運動情況,有助于獲得更準確的降落傘性能,還可以分析降落傘的形狀變化,獲取傘衣上的應力分布,為降落傘設計改進提供依據。