載人月球探測整體性能提升總體技術

張海聯

(中國載人航天工程辦公室，北京 100034)

0 引 言

月球是距離地球最近的自然天體,也是人類邁入深空的第一站。美國阿波羅計劃實現了人類首次登陸月球,成為人類探索外太空的標志性事件和人類文明發展的重要里程碑。進入新世紀,隨著新一輪科技革命和產業變革孕育興起,世界主要國家利用開發太空、探索未知、到達更遠目標的渴望愈加強烈,美國制定阿爾忒彌斯計劃重返月球,多個國家提出參與建造“門戶”(Gateway)月球軌道空間站,世界航天領域掀起了新一輪載人月球探測熱潮。

載人登月速度增量需求大,速度增量放大了飛行器質量[1],導致任務規模龐大(如表1所示,表中地月轉移加速由火箭末級執行,比沖4 560 m/s;其他由飛行器執行,比沖3 100 m/s),一次載人登月任務運載火箭起飛規模約是近地載人航天任務的6～8倍,起飛質量 3 000～4 000 t的運載火箭僅能夠將2名航天員送達月面。阿波羅計劃采用直接奔月飛行方案,每次任務需要一枚質量約2 950 t的土星五號運載火箭和一艘質量約46 t的“阿波羅”飛船,將3名航天員送往環月軌道,其中2人著陸月面。蘇聯N1-L3計劃采用直接奔月飛行方案,每次任務需要一枚質量約2 735 t的N1火箭和一艘質量約15.4 t的L3組合飛船,乘組2人,其中1人著陸月面。阿爾忒彌斯計劃每次任務需要將1艘“獵戶座”飛船和1個商業月面著陸器送往月球附近近直線暈軌道NRHO對接,航天員乘坐著陸器著陸月面。我國載人月球探測任務采用環月軌道對接飛行方案(見圖1),每次任務發射2枚質量約2 200 t的新一代載人運載火箭[2],分別將26 t的月面著陸器和26 t的載人飛船送往環月軌道對接后執行載人登月任務,乘組3人,其中2人著陸月面。

圖1 載人月球探測飛行方案Fig.1 Flight scheme of manned lunar exploration

表1 地月空間飛行速度增量Table 1 Velocity increments in a manned lunar exploration mission

載人月球探測總體指標受運載火箭、飛船、月面著陸器的技術水平影響很大,也與任務總體設計方法密切相關。國內外已有大量關于飛行器結構、推進和控制專業技術發展的文獻報道,但從任務總體技術層面系統研究提升載人月球探測整體性能的還很少。本文分析了載人月球探測整體性能表征指標,系統梳理影響系統優化的總體要素,研究提出了提升任務整體性能的總體設計方法,并介紹了近些年來在載人月球探測工程中的實踐探索,提出了未來發展方向。

1 整體性能表征與總體設計方法

1.1 整體性能表征

載人月球探測任務的整體性能可通過可靠性與安全性、工程能力水平、故障應對能力、航天員舒適性等多種指標進行表征,其總體設計是多目標優化問題,不同目標之間相互沖突,僅優化一個目標可能引起其他目標性能降低,需在各目標之間權衡折中,采用體系化的總體設計方法使各目標性能達到Pareto意義上的最優[3],實現載人月球探測整體性能優化。

可靠性與安全性是載人航天重要指標,原則上應滿足“一度故障工作,二度故障安全”準則,但若所有功能均進行冗余設計則代價較大,需分析可靠性過高要求對工程性能指標的影響。

工程能力水平可由航天員人數、月面活動時間、月面活動范圍、科學探測能力以及返回地球樣品質量等指標來表征,各指標均可轉換為質量體現。

故障應對能力在總體層面可通過在正常用量之外預留額外資源,滿足全任務階段極限偏差、應急飛行等額外消耗需求。由于飛行器系統規模大,推進劑需求多,應對極限偏差和故障所需的資源中推進劑是對飛行器規模影響最大的因素。故障應對能力與工程正常能力水平相互矛盾,提升故障應對能力必然占用飛行器推進劑資源。若飛行正常,這些推進劑將成為“死重”,極大影響任務性能指標,故需平衡好故障應對能力與正常飛行之間的關系。

1.2 面向整體性能提升的總體技術

載人月球探測總體設計是在任務目標驅動下,定義任務需求和約束條件,識別影響方案的關鍵因素,定義系統架構和基線方案,開展總體參數和飛行方案優化,實現系統間指標匹配、余量科學合理,達到提升任務總體性能的目的。按照概率設計、一體化設計、模型優化和數據修正4個方向,系統梳理提升載人月球探測整體性能的總體技術。

1)概率設計:載人航天任務通常采用偏差全包絡設計,為滿足各種小概率極限偏差、故障處置要求常常犧牲任務總體性能指標。由于載人月球探測任務對飛行器重量極為敏感,需研究極限偏差和故障發生概率,采用概率設計提升總體性能。

2)一體化設計:航天任務通常按系統進行獨立設計,系統各自考慮偏差留取余量,造成系統間余量重復留取、系統不優化。一體化設計方法可有效控制系統間余量,提升總體性能。

3)模型優化:通過采用基于模型的系統工程方法,建立數字模型實現方案優化設計,精細化數字仿真提升產品性能,虛實互動改進產品設計,整體提升任務性能。

4)數據修正:利用飛行產品測試數據、外部環境實測數據、其他型號飛行數據等修正任務總體參數,減小偏差以提升飛行器性能。

按上述4個方向梳理的總體技術見圖2,研制過程中進行了部分技術的探索實踐。

圖2 面向整體性能提升的總體技術Fig.2 Systems engineering technology for overall performance improvement

2 基于概率的總體設計

載人航天任務可靠性與安全性設計、速度增量分配、故障對策設計、安全系數選取等傳統上采用偏差全包絡設計,結果相對保守。載人月球探測任務中,不斷探索基于概率的總體設計方法,通過評估極限偏差或故障發生概率后給出相應處置措施,避免極小概率事件成為影響總體性能指標的決定因素,采用概率設計方法提升任務水平。

2.1 基于PRA方法的載人探月任務風險分析

載人月球探測是一個典型的多階段任務系統[4],具有系統組成狀態動態變化、階段間相關等特征,任務存在成功/失敗、進入備選任務、航天員救生成功/失敗等后果狀態多樣性。傳統的可靠性方框圖等靜態可靠性分析方法,在描述系統動態性、相關性、多態性等方面存在不足,難以滿足載人月球探測多階段任務的可靠性分析要求。概率風險評估(PRA)綜合運用事件樹、故障樹等方法構建風險事件鏈模型,集成工程試驗數據、飛行數據、專家判斷等信息,利用貝葉斯分析、蒙特卡羅仿真等進行風險量化、不確定性分析與重要度排序,綜合反映系統的可靠性安全性水平,識別系統薄弱環節,逐步成為復雜航天系統可靠性安全性分析的重要工具[5-6]。

載人月球探測任務PRA實施流程包括識別初因事件、事件鏈建模、故障建模、數據收集與分析、結果分析與重要度排序等步驟,任務過程事件樹模型如圖3所示,后果狀態定義為圓滿成功、任務失敗(LOM)、航天員傷亡(LOC)。

圖3 載人月球探測任務過程事件樹模型示意圖Fig.3 Event chain model of manned lunar exploration mission process

對于復雜的初因事件或中間事件,可采用故障樹或貝葉斯網絡進行故障建模。收集載人航天器、嫦娥月球探測器等數據并按照任務需求預處理,分析火箭、飛船和著陸器相關產品可靠性數據,為載人月球探測故障樹底事件、事件樹基本事件提供失效概率分布,在此基礎上可計算事件鏈發生概率。

假設導致航天員傷亡的事件鏈Si(i∈H1,H1為航天員傷亡事件鏈集合)對應第n個階段,Si發生概率PSi為

(1)

式中:Rh為第h階段任務成功概率;Rn為第n階段任務成功概率;PLOE,n為第n階段航天員應急救生失敗概率。全任務剖面航天員傷亡概率PLOC為

PLOC=∑PSi,i∈H1

(2)

對任務剖面20個階段進行安全風險重要度排序,發現著陸器動力下降、著陸器與載人飛船二次對接、運載火箭發射載人飛船為任務風險重要度等級較高的事件,應采取冗余設計、裕度設計等方法提高可靠性,或采用逃逸與應急救生等措施提高重大故障情況下航天員的安全性。

2.2 基于概率的速度增量設計

載人登月任務的地月轉移軌道常采用一般轉移軌道、自由返回軌道、混合軌道和基于自由返回軌道的終端變軌軌道等,不同地月轉移軌道的特點如表2所示[7]。

表2 不同地月轉移軌道特點比較Table 2 Comparison of characteristics of different Earth-Moon transfer trajectories

受地月位置關系變化影響,月球軌道設計空間較大[7-8]。按照最大速度增量包絡設計軌道,將大大增加飛行器規模,造成不必要的浪費。為提升任務效能,需綜合衡量任務窗口與速度增量的關系,按滿足一定任務窗口概率預留速度增量,通過科學合理的任務規劃,盡可能降低任務實施代價。

月面著陸器常采用設計自由度較大的一般轉移軌道,如不考慮速度增量約束,每天都有合適的軌道到達月球,速度增量高達860 m/s。載人飛船地月轉移常采用自由返回軌道或者混合軌道,近月制動速度增量相對較大,如圖4所示。載人飛船從月球返回地球,不同環月軌道傾角、不同返回窗口返回時速度增量需求不同,每個月1個周期,如圖5所示。載人飛船軌道設計時一般將近月制動與月地轉移速度增量統籌考慮。

圖4 載人飛船近月制動速度增量Fig.4 Velocity increments required for manned spacecraft braking near the Moon

圖5 載人飛船月地轉移速度增量Fig.5 Velocity increments required for manned spacecraft during Moon-Earth transfer

以2029年某低緯度著陸區為例進行計算,月面著陸器根據不同發射日期、不同類型的地月轉移軌道(降降、降升、升降、升升)的近月制動速度增量分析, 800～810 m/s的近月制動速度增量仍能保證一定數量的發射窗口,即只考慮軌道約束,發射日占全年天數的比例約為23%,如果進一步降低速度增量,發射窗口數量會隨速度增量的減少急劇減少,如圖6所示。這樣在保證一定發射機會的前提下,速度增量較最大值留取可減少約50 m/s,著陸器質量減少約310 kg。

圖6 月面著陸器近月制動所需速度增量Fig.6 Velocity increments required for lunar lander braking near the Moon

載人飛船受自由返回限制,發射窗口相對較少。

進行低緯度區域探測時,近月制動+月地返回加速最大速度增量約2 065 m/s,2029年全年窗口數約53個,發射日占全年天數的比例約14.5%;在按近月制動+月地返回加速共1 970 m/s速度增量留取時,窗口數量約35個,在2月至8月均有發射窗口,發射日占全年天數的比例約9.6%(一般不低于10%左右),飛行器質量減少約400 kg,如圖7所示。

圖7 2029年發射窗口篩選示意圖Fig.7 Launch windows in 2029

2.3 基于概率的故障對策設計

載人月球探測飛行階段多、過程復雜,每個階段均可能發生危及航天員安全的故障,故障種類及處置對策非常多,需對單個故障發生概率、不同故障疊加發生概率進行分析,按照風險控制原則給出相應處置措施。本小節以2個典型案例說明基于概率的故障對策設計思路。

1)月面著陸器應急工況處置

月面著陸器全飛行階段極限偏差或故障應急工況很多,例如可能面臨運載火箭入軌偏差過大、月面下降中止后應急上升、單臺發動機故障情況下的月面應急上升、月面提前起飛等,著陸器需在正常飛行推進劑之外額外預留推進劑以應對這些工況。若對所有可能的故障均預留推進劑,對于著陸器將是難以承受的重量代價。

載人月球探測采用基于概率的故障對策設計。首先分析可能的單個極限偏差或故障應急工況發生概率;對于極限偏差或故障應急工況組合情況,按照串聯模型計算組合工況的發生概率;判斷極限偏差或故障應急工況單個或組合情況的發生概率。按照載人航天風險控制原則,發生概率小于10-6可認為一次任務中不可能發生。因此若概率小于10-6則不再考慮留取資源進行處置,既滿足航天員安全性要求,又將推進劑預留量控制在可接受的水平。

2)載人飛船密封艙失壓情況處置

飛行過程中空間碎片或微流星可能會擊穿飛船返回艙,造成壓力應急,需采取大流量供氣或者通過將艙內壓力服裝轉入壓力應急模式保持艙壓[9]。載人月球探測基于風險概率評估飛行器應急失壓風險,設計壓力應急處置方案。采用ORDEM空間碎片模型,SSP 30425微流星體環境模型對載人飛船飛行過程碎片和微流星擊穿概率進行分析,按照將壓力應急的風險降至小于10-6的設計原則確定了擊穿孔洞。通過基于概率的壓力應急設計,既保障了航天員安全,又有效降低了飛船額外的氣體資源需求。

2.4 基于概率的安全系數設計

設計飛行器結構時,通常采用安全系數考慮材料性能散差、載荷計算偏差、結構零部件的制造工藝水平和穩定性等因素。飛行器結構安全系數是強度校核使用的重要參數,目前國內外飛行器設計將結構強度S和載荷水平L看作確定量,給出一個確定性的安全系數范圍。在實際工程應用中,設計師在強度校核時往往采用最低強度和最高應力,導致設計結果偏保守;不同結構、不同材料選取同樣的安全系數,不能真實反映實際情況;安全系數的取值沿用幾十年前的標準,不一定適用于當前的新材料和新工藝。隨著飛行器精細化設計的發展,對傳統安全系數法進行了改進,采用基于應力強度干涉模型的可靠性安全系數設計方法。對于高斯分布下的應力強度干涉模型,可靠性安全系數f0為[10]

(3)

式中:u0為結構要求的可靠度;μS,CVS為強度總體均值和變差系數;μL,CVL為載荷總體均值和變差系數。采用該模型可實現飛行器結構安全系數精細化設計和結構減重。以運載火箭三級結構為例,采用先進結構設計和高可靠低安全系數設計,結構質量可減少約400 kg,有效提升了運載能力。

3 船/器/箭一體化設計

航天任務傳統按系統獨立設計再集成的方法,系統間余量較大。載人月球探測任務探索采用軌道一體化、船箭動特性一體化、電氣系統一體化、故障情況下的多系統聯合應對等設計方法,提高系統綜合集成性能,統一分配系統間設計余量,實現系統間均衡協調優化。

3.1 船/器/箭軌道一體化設計

載人登月運載火箭將飛行器送入地月轉移軌道前,一般在近地軌道停泊,檢查飛行器狀態并等待地月轉移出發窗口(需運行到月球反垂點附近再實施軌道機動)。近地停泊軌道影響火箭發射彈道、運載能力和飛行器近月制動推進劑消耗量。進行運載火箭發射彈道、近地停泊軌道和地月轉移軌道一體化設計對于優化飛行方案具有重要作用。

文獻[11]針對空天飛行器采用極坐標系下動力學方程統一描述彈道段和軌道段飛行,建立器箭彈道/軌道一體化模型,對飛行器軌跡進行統一優化。但由于載人月球探測飛行階段多,方程復雜,此類兩點邊值問題求解難度很大。分層全局優化方法[12]采用外層、內層聯立優化,降低了問題耦合度。載人月球探測采用分層全局優化方法進行船/器/箭軌道一體化設計,如圖8所示。

圖8 分層全局優化方法Fig.8 Hierarchical global optimization method

外層重點解決運載火箭和飛行器能量分配問題,主要優化近地停泊軌道的半長軸aE、偏心率eE和地月轉移軌道半長軸aLTO。對于每組aE,eE和aLTO,采用尋優算法求解火箭運載能力和飛行器進入環月軌道質量之和最大。

內層又分為飛行器地月轉移軌道優化和運載火箭彈道優化兩方面。飛行器地月轉移軌道優化將根據目標環月軌道,以及外層給定的aE和eE,優化地月轉移出發時刻、速度增量以及近月制動速度增量,得出LTO軌道參數和進入環月軌道的最大飛行器質量mL:

(4)

運載火箭彈道優化將根據外層給定的aE和eE,以及優化出的地月轉移軌道參數,以入軌質量mE最大優化計算運載火箭發射彈道:

(5)

針對2029年某發射窗口進行優化,通過器箭軌道一體化設計,停泊軌道由300 km高度圓軌道調整為近地點170 km、遠地點200 km的近圓軌道,地月轉移軌道半長軸由240 000 km調整為210 000 km,火箭運載能力提升約300 kg;同時,由于地月轉移軌道半長軸調整,飛行器近月制動速度增量減小約58 m/s,飛行器進入環月軌道質量增加約360 kg。

3.2 船箭動特性一體化設計

傳統意義上,飛船采用剛度設計,結構頻率要和運載火箭錯開。船箭動力學以頻率為主、質心準靜態過載為輔進行耦合分析,通過基頻、界面力學環境、質心等效極限載荷等力學參數進行船箭數據交互。飛船按照質心等效極限載荷進行強度校核,這適用于飛船靠近船箭界面的部段,但對于振動響應較大的飛船中上部段偏差較大,設計精細化不足。新一代載人飛船基頻約2.8 Hz,遠小于一般國內外火箭要求的有效載荷5～10 Hz的最低基頻要求,傳統方法已不再適用。

研制中采用船箭動特性一體化設計[2],將飛船作為火箭的一個子級,建立船箭動力學有限元模型,設計參數以船箭不同截面靜動載荷為主、頻率要求為輔,對強度和剛度并行設計。通過船箭全過程力學環境和載荷條件分析,開展靜動載荷、結構剛度匹配及姿控穩定等耦合因素優化,給出飛行過程中船箭界面、飛船主要結構、以及飛船關鍵單機的載荷和力學環境,改進了傳統飛船與運載火箭獨立設計理念。通過優化火箭構型和姿控方案,滿足了新一代載人飛船超低基頻要求;通過優化運載火箭子機關機方式,降低界面載荷力學環境條件約20%,實現飛船結構減重約150 kg。

3.3 電氣系統一體化設計

對于大型復雜飛行器而言,電氣系統通常按照各分系統分別設計,再由飛行器系統進行集成和測試的模式研制。這種模式有利于將復雜任務功能逐級分解和分層級實施,但也造成了計算機重復配置、計算資源無法共享、基礎軟硬件不統一、電纜網交叉繁復等問題。

載人月球探測運載火箭、飛船和著陸器打破原有按層級分解的研制模式,采用了電氣系統一體化設計[13]。例如,著陸器構建了“集中統一計算、模塊化綜合管理、分區就近執行”的一體化電氣系統(見圖9),基于TTE實現不同實時性要求、不同業務帶寬數據的一體化網絡傳輸;采用通用高性能計算機統一實現所有分系統計算和閉環控制功能;采用模塊化、集成化業務單元,就近對外設進行管理和分布式控制;采用分時分區操作系統,支持各分系統應用軟件APP獨立編譯和動態加載。通過電氣系統一體化設計,與同類型飛行器相比,設備數量減少72%,設備質量減輕30%,電纜網減少了分支、精簡了穿艙,質量減輕36%。同時,采用電氣一體化設計,飛行器之間信息互聯也更為簡捷順暢。

圖9 月面著陸器一體化電氣系統架構Fig.9 Integrated electrical system architecture of manned lunar lander

3.4 故障情況下的任務重規劃

對于近地軌道航天任務,若運載火箭發生動力系統故障且對運載能力影響較小,通過調整制導方法仍有可能將航天器送入目標軌道[14-15]。載人探月飛行過程中若發生嚴重故障,一般要中止登月任務并將航天員安全送回地球[16];在保證航天員安全的前提下,為提升任務效益,可考慮利用運載火箭、飛船和月面著陸器的剩余能力,統籌使用資源執行降級或備選任務。

新一代載人運載火箭具備動力冗余和控制系統重構能力,在不同時刻發生故障,將根據剩余能力進行重規劃,如圖10所示。如運載火箭剩余能力能夠完成正常登月任務,則以預定軌道為目標進行彈道重構,飛船根據新的入軌點完成飛行規劃;如無法完成正常登月任務,則改變任務目標執行環月、繞月等降級任務,飛船接續完成飛行規劃;如剩余能力僅支持進入近地救援軌道,則保證將飛船送入近地軌道,為航天員安全返回提供良好條件。運載火箭彈道重構通常以盡可能提升入軌高度、保證運載能力為目標進行規劃,同時將造成軌道參數和入軌時間發生改變,如圖11所示。飛船將根據實際入軌點,考慮實際與標稱入軌點之間的偏差,進行軌道重規劃才能完成后續任務。

圖11 運載火箭彈道重構示意圖Fig.11 Trajectory reconstruction for launch vehicle

4 基于數字模型的優化設計

載人月球探測任務全面采用基于模型的系統工程方法,實現模型驅動的創新設計,建立的系統設計和驗證模型、產品設計模型、工程仿真模型等對于方案優化設計發揮了重要支撐作用。

4.1 載人飛行器多學科系統仿真

飛行器總體設計需要考慮不同專業之間復雜的制約關系,權衡各類設計參數難度較大。多學科系統仿真通過將各專業功能性能模型統一集成,支持各專業協同仿真,獲得各類設計參數的影響關系,實現飛行器總體設計優化。

載人月球探測任務建立了飛行器系統設計模型[17](見圖12),分層次開展飛行器架構和接口設計,覆蓋機械、能源、信息、熱等共3 000多個接口。在統一架構中描述供電圖、信息圖、推進管路圖、環熱控管路圖等信息,利用軟件的邏輯仿真能力,驗證了能量流、信息流、機械流的設計正確性。建立了系統驗證模型(見圖13),完成單機產品的機、電、熱、信息多學科建模,船/器共交付700余臺Modelica單機模型,完成由環境、機械、能源、熱、信息5部分組成的總體模型,支持多學科耦合仿真計算。開展了基于飛行程序驅動的系統級功能和性能仿真驗證,實現從發射到返回著陸的全過程關鍵環節/事件全覆蓋,驗證了接口協調與匹配性。

圖12 包含多維信息的架構模型示例Fig.12 Example of architecture model containing multidimensional information

圖13 多學科聯合仿真模型Fig.13 Multidisciplinary joint simulation model

4.2 基于數字模型的結構優化

載人月球探測飛行器對結構輕量化要求極為苛刻,研制過程中大量采用CAE等數字化方法進行結構優化。例如,采用基于網格變形的三維模型重構優化方法[18],飛行器對壁板側壁整體加筋布局進行優化(見圖14),將不同區域筋條厚度及整體筋條高度作為優化變量,對壁板蒙皮厚度也按不同區域優化,結構數字模型經過了強度、剛度校核,產品經過相關試驗考核驗證,實物稱重結果表明,經過拓撲優化的密封艙結構與同類艙段相比減重達35.8%。

圖14 基于網格變形的三維加筋技術Fig.14 3D reinforcement technology based on mesh deformation

4.3 載人飛行器功率動態平衡設計

月面著陸器系統需提供航天員月面生活工作、載荷充電、天地通信等用電保障,形成了圍繞航天員活動的功率需求波動。功率波動與出艙時間、登月點選址、太陽高度角、載荷耗電量等密切相關,正常和故障處置下的能量平衡成為了評估規劃可行性的重要因素。

建立電源系統模型和負載模型,根據設備開關機情況,仿真月面太陽光入射角度、太陽翼發電電流、電池充放電電流和電池放電深度,可以快速實時評估航天員出艙、設施充電等月面活動的能量平衡情況(見圖15)。這種精細化建模與動態評估方法避免了各系統按最大供電需求累加的粗放設計,為月面著陸器降低了約18%的供電需求,實現了系統優化配置。

圖15 載人月球著陸器月面能量平衡分析算例Fig.15 Example of lunar energy balance analysis of a manned lunar lander

4.4 載荷環境精細化預示

載人月球探測飛行器需經歷溫度、羽流、月塵、熱流、真空、輻射、大氣摩擦、空間碎片等復雜空間環境,為了應對載荷環境的不確定性,設計上往往按照極限考慮,占用了大量系統資源。通過精細化建模預示,可有效優化系統配置,提升綜合性能。

例如著陸器下降著陸過程中,變推力發動機工作對附近設備的羽流熱流密度可達到兆瓦級,羽流與著陸速度、發動機工作模式、關機高度、地形地貌等關系緊密。通過建立數字模型對著月過程進行了精細動態仿真[19](見圖16),優化了相關參數,使著陸器在合理的推進劑消耗、較好的沖擊環境下,可以盡可能減小羽流影響,降低采用高溫隔熱材料的質量代價,優化了著陸腿設計,實現綜合減重約10%。

5 基于實測數據修正的總體性能提升技術

運載火箭、飛船、著陸器方案設計均考慮了各種參數偏差,載人月球探測任務探索利用射前地面測試數據、其他型號飛行數據進行模型修正,減小偏差以提升飛行器性能。

5.1 基于地面測試數據修正的性能提升技術

飛行器研制生產過程中,多發產品的實際性能將不可避免地出現一定散差,設計上常通過預留參數偏差進行考慮。實際產品完成制造總裝后,通過地面測試數據可辨識該部分偏差,根據產品實際狀態修正數字模型,優化推進劑、氣體的加注量,節省的質量可用于增加有效載荷能力,從而達到提升總體性能的目的。

載人月球探測箭/船/器攜帶了比近地任務更多的推進劑,動力系統性能偏差會造成在軌實際推進劑使用量的較大變化,是基于地面測試數據修正最為重要的方面。發動機推力和比沖是飛行器軌道控制計算中的重要參數,通過發動機熱試車可對實物產品標定推力大小、推力線偏斜和比沖性能,可以大幅減小發動機工作的不確定性,根據測試數據核定飛行器變軌等效速度增量和在軌推進劑使用量。對于比沖300 s左右的常規推進系統而言,每增加1 s比沖,推進劑就可以節約0.3%,飛行器減少推進劑加注60 kg。

混合比偏差一般由閥門、管路、發動機流阻偏差決定,產品總裝前可通過水壓試驗測定流阻,降低設計階段為混合比偏差不確定預留的推進劑,混合比偏差每降低0.1%,飛行器推進劑加注量可減少20 kg。貯箱排空率也是設計階段預留推進劑的重要因素,可以通過排放試驗進行標定,貯箱排空率每提高0.1%,飛行器推進劑加注量可以減少20 kg。

此外,飛行器實測質量特性影響推進劑加注量和載荷能力,月面出艙的復壓氣體用量也可根據著陸器密封艙實測容積精準配置。

5.2 基于飛行數據的多機并聯熱環境精細化預示

載人登月運載火箭起飛時21臺發動機同時工作,單個模塊安裝7臺發動機。按照傳統設計,發動機數量增加將導致底部熱流密度急劇增加,給箭體結構熱防護設計帶來極大困難。研制過程中分析CZ-5、CZ-7火箭飛行數據后發現,傳統的對流換熱模型比實際飛行狀態惡劣。進一步優化改進模型發現,飛行中的回流阻塞熱流與底部發動機噴流從噴管間隙泄出的回流流量、噴管的排氣面積比相關。當發動機數量大于3臺后,回流阻塞產生的對流熱流將不再明顯增加,如圖17所示。利用修正后的計算模型開展飛行熱環境分析,結果表明,7機并聯的熱環境整體可控,防熱問題得到有效解決[20]。

圖17 不同發動機布局對流熱極大值Fig.17 Maximum convective heat for different engine layouts

5.3 基于風修正的載荷優化設計

我國現有火箭已廣泛應用風修正技術,針對既定的火箭箭體結構,可以提升單次任務的發射概率[21-22]。載人月球探測任務進一步將風修正技術應用在火箭載荷優化和結構減重設計中,基于高空風測量統計數據,開展風修正彈道設計與TGNC六自由度打靶仿真分析工作,精確定量給出載荷設計qα限制值。例如根據海南發射場累計10年風場實測數據,剔除臺風等極端天氣后針對約7 000組風場數據進行模擬發射與飛行仿真,得到不同高空風載放行概率及對應的qα設計結果,見表3。

表3 發射概率與qα設計值Table 3 Launch probability and design values of qα

研究結果表明,考慮高空風因素的發射概率由99.7%降低至滿足任務要求的95%,qα設計值可以降低30%,從而有效減輕了火箭結構質量。

6 結束語

載人月球探測研制過程中,為提升任務整體性能指標進行了大量探索實踐,本文在總體技術層面開展了設計理念、設計方法、模型優化和數據修正等方面的系統梳理和總結:基于概率的總體設計方法通過評估極限偏差或故障發生概率制定相應措施,避免極小概率事件成為影響總體性能指標的決定因素,降低了飛行器額外資源代價;船/器/箭一體化設計方法打破了系統界面,解決了系統間余量重復留取和余量過大的問題,提高了系統綜合集成性能,實現系統間均衡協調優化;基于數字模型的優化設計,采用MBSE方法建立系統模型和產品模型,通過精細化數字仿真提升產品性能,優化總體參數;針對具體飛行產品,利用地面實測數據、外部環境實測數據、其他型號飛行數據等修正設計參數,減小參數偏差,實現能力提升。這些總體技術對優化總體方案、提升總體性能起到了重要支撐作用。

近年來,人工智能、數字化技術為相關行業賦能,推動各領域技術飛速發展。載人月球探測任務也將深化先進技術的應用,提升總體設計水平,提高任務整體性能,主要包括:

1)加快推進人工智能在載人月球探測軌道設計、CAE、CFD等領域應用,大幅提升任務規劃和總體設計效率。

2)持續推進基于模型的系統工程方法應用和數字化研制轉型,建立覆蓋任務全鏈條的數字化模型,通過虛實映射建立數字孿生系統,以模型反映真實產品,有效控制偏差,提升總體性能。

3)持續推進一體化設計和系統間聯合仿真,不斷完善系統級多學科聯合仿真,通過代理模型集成專業仿真,提高系統仿真的準確性,優化設計余量,實現綜合性能提升。

4)開展飛行數據的挖掘分析,加深對偏差和設計裕度的理解,結合數字仿真進行任務能力評估,逐步釋放運載能力,提升任務整體水平。