新一代載人飛船可重復(fù)使用技術(shù)體系研究

余 抗，吳文瑞，蘇 令，馬曉兵

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

中國已完成空間站建造任務(wù),將利用微重力、高真空等特殊的空間環(huán)境開展大規(guī)模空間應(yīng)用,后續(xù)還會將探索的腳步邁向地外,開展載人月球及深空探測。然而,高昂的天地往返運輸成本是制約大規(guī)?？臻g應(yīng)用及太空探索的主要因素,從技術(shù)發(fā)展趨勢來看,采用可重復(fù)使用的飛行器是降低成本的重要途徑。NASA支持的商業(yè)乘員開發(fā)計劃[1]中,將飛船可重復(fù)使用作為主要技術(shù)指標(biāo)。載人“龍”飛船已實現(xiàn)單艘飛船載人重復(fù)使用,而國外在研和現(xiàn)役的新一代載人航天器“獵戶座”飛船、“星際航線”飛船和“鷹”飛船[2-4]均按照具備重復(fù)使用能力開展設(shè)計。綜上,航天器可重復(fù)使用技術(shù)不僅能夠降低天地往返運輸成本,提升經(jīng)濟效益,為大規(guī)模開發(fā)太空奠定基礎(chǔ);同時,可重復(fù)使用也作為新一代飛船的重要技術(shù)特征,體現(xiàn)出航天器系統(tǒng)設(shè)計的先進性。目前,中國在研的新一代載人飛船需要具備重復(fù)使用能力,而國內(nèi)針對航天器重復(fù)使用研究領(lǐng)域尚處于起步階段,亟需建立可重復(fù)使用技術(shù)體系。本文提出了新一代載人飛船可重復(fù)使用模式的構(gòu)想,對航天器可重復(fù)使用的技術(shù)難點進行了分析,明確了研制思路并從多維度給出了解決問題的技術(shù)途徑,形成了新一代載人飛船可重復(fù)使用技術(shù)體系。

1 新一代載人飛船可重復(fù)使用模式構(gòu)想

如圖1所示,以近地任務(wù)為例,新一代載人飛船每次執(zhí)行完任務(wù)后,從空間站撤離,返回艙與服務(wù)艙分離,服務(wù)艙再入大氣層燒毀不重復(fù)使用,返回艙能夠?qū)崿F(xiàn)整船60%以上價值設(shè)備的重復(fù)使用,返回艙返回著陸后通過必要的檢測、維修,換裝防熱結(jié)構(gòu)、降落傘、火工品等不可重復(fù)使用設(shè)備,對接新的服務(wù)艙,進行重復(fù)使用放行試驗測試后,即可出廠執(zhí)行下一次飛行任務(wù)。而載人月球探測任務(wù)類似,飛船在執(zhí)行完單次飛行任務(wù)后返回地球,進行必要的設(shè)備更換、維修、測試即可執(zhí)行下次任務(wù)。與單次飛行任務(wù)相比,由于返回艙實現(xiàn)了高價值產(chǎn)品的回收,能夠有效降低飛船的運營成本。

圖1 新一代載人飛船近地任務(wù)可重復(fù)模式構(gòu)想圖Fig.1 Conception of reusable mode of China’s next-generation manned spacecraft

2 技術(shù)難點分析

新一代載人飛船開展重復(fù)使用設(shè)計面臨以下難點和挑戰(zhàn)。

2.1 載荷環(huán)境優(yōu)化與識別

載人航天器在單次飛行任務(wù)周期內(nèi)面臨復(fù)雜的載荷環(huán)境。飛船在上升段受運載火箭影響,經(jīng)受振動、噪聲環(huán)境;在船箭分離、艙段分離過程中,經(jīng)受火工沖擊載荷;在軌飛行過程,密封結(jié)構(gòu)經(jīng)受壓力和溫度交變載荷;返回過程中,返回艙經(jīng)受再入過程的氣動力熱環(huán)境;回收段,返回艙經(jīng)受降落傘開傘載荷和著陸沖擊;著陸后,返回艙經(jīng)受著陸場自然環(huán)境的影響。由于結(jié)構(gòu)損傷會產(chǎn)生積累,優(yōu)化載荷條件能夠增長重復(fù)使用周期,提升重復(fù)使用次數(shù)。同時,對飛船經(jīng)受載荷環(huán)境識別的全面性是開展重復(fù)使用設(shè)計的基礎(chǔ)。綜上,應(yīng)圍繞可重復(fù)使用需求開展條件設(shè)計,通過優(yōu)化、量化載荷條件為飛船實現(xiàn)重復(fù)使用創(chuàng)造條件。

2.2 建立設(shè)計準(zhǔn)則

國內(nèi)在有關(guān)航天器產(chǎn)品重復(fù)使用性能設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面尚屬空白[5],可以供參考的飛機疲勞耐久性設(shè)計由于使用頻次和設(shè)計準(zhǔn)則不同無法使用;不同類型產(chǎn)品由于重復(fù)使用的失效模式均不相同,需建立航天產(chǎn)品重復(fù)使用性能設(shè)計準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,確保飛船產(chǎn)品具備重復(fù)使用能力。

2.3 快速狀態(tài)恢復(fù)

重復(fù)使用的主要目標(biāo)是降低運營成本,在壽命期內(nèi)盡可能多地增加發(fā)射頻次能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化[6],這就對從飛船返回到出廠的研制流程周期提出了更高的要求。目前載人航天器正樣研制流程均在2年左右,無法適應(yīng)重復(fù)使用航天器航班化運營的需求,因此需建立飛船快速狀態(tài)恢復(fù)能力。

2.4 健康監(jiān)測與壽命評估

面對飛船可重復(fù)使用多頻次、長壽命的任務(wù)特點,參考車輛、飛機等長壽命周期運載工具的維修保養(yǎng)設(shè)計[7],建立基于在軌監(jiān)測和返回地面后檢測的飛船健康監(jiān)測系統(tǒng)對飛船返回后診斷維修、飛船重復(fù)使用放行及飛船剩余壽命進行決策,全面地評估飛船實際狀態(tài)[8-9]。

3 可重復(fù)使用研制思路及技術(shù)體系

3.1 可重復(fù)使用研制思路

新一代載人飛船可重復(fù)使用的研制思路如圖2所示,首先進行飛船可重復(fù)使用條件設(shè)計,為船上產(chǎn)品創(chuàng)造適合重復(fù)使用的條件;基于條件設(shè)計,識別并分析產(chǎn)品載荷環(huán)境,開展產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計;在產(chǎn)品具備重復(fù)使用性能基礎(chǔ)上,為實現(xiàn)快速復(fù)用,縮短飛船返回后的維修周期,開展可重復(fù)使用維修保障性設(shè)計;開展自主健康檢測及故障診斷設(shè)計,用于指導(dǎo)重復(fù)使用維修及放行策略,評估飛船完成下次任務(wù)的可靠度。

圖2 新一代載人飛船可重復(fù)使用研制思路Fig.2 Development idea of China’s next-generation reusable manned spacecraft

3.2 可重復(fù)使用技術(shù)體系

新一代載人飛船可重復(fù)使用的技術(shù)體系圍繞可重復(fù)使用條件設(shè)計、產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計、可重復(fù)使用維修保障性設(shè)計和自主健康監(jiān)測及診斷設(shè)計展開,具體如圖3所示。

圖3 新一代載人飛船可重復(fù)使用技術(shù)體系Fig.3 Reusable technology system of China’s next-generation manned spacecraft

3.2.1可重復(fù)使用條件設(shè)計

可重復(fù)使用條件設(shè)計是通過降低、量化返回艙飛行過程中的載荷,從而為返回艙設(shè)備實現(xiàn)重復(fù)使用創(chuàng)造良好條件。針對經(jīng)受的高速再入熱環(huán)境,返回艙采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計,外層為單次使用的燒蝕材料防熱結(jié)構(gòu),以保證內(nèi)層設(shè)備處于合適的溫度條件。針對上升段及返回著陸段的力學(xué)環(huán)境,返回艙采用了緩沖氣囊無損回收設(shè)計及隔沖減振設(shè)計。針對著陸后自然環(huán)境,返回艙采取了防護設(shè)計。以下進行具體說明。

1)雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計

新一代飛船返回艙可采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計,外層為可拆卸的防熱結(jié)構(gòu),每次飛行任務(wù)后更換新的防熱結(jié)構(gòu)即可重復(fù)使用。由于登月飛船對于自重要求更加苛刻,飛船防熱結(jié)構(gòu)選用了單次使用的燒蝕材料,而不是能夠重復(fù)使用的陶瓷隔熱材料;內(nèi)層為可重復(fù)使用的金屬承力結(jié)構(gòu),金屬結(jié)構(gòu)和防熱結(jié)構(gòu)中間為放置大部分設(shè)備的非密封區(qū)域,在防熱結(jié)構(gòu)的保護下,非密封區(qū)域的產(chǎn)品能夠不受飛船返回艙第二宇宙速度再入返回?zé)崃鞯挠绊?同時該區(qū)采用大開口構(gòu)型,便于每次飛行任務(wù)后對設(shè)備進行檢測、維修。

2)結(jié)構(gòu)無損回收設(shè)計

為了降低返回艙著陸時對艙體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品的損傷,采用了氣囊緩沖著陸方式。氣囊緩沖方式能很好地適應(yīng)多種著陸地面狀況和不同地面水平風(fēng)速條件,有助于提高艙體在緩沖著陸過程中的穩(wěn)定性。氣囊采用內(nèi)外囊雙層設(shè)計,外囊排氣緩沖,內(nèi)囊不排氣支撐實現(xiàn)著陸過程中對艙體的保護,有利于艙體的重復(fù)使用。為了對該項設(shè)計進行驗證,開展了返回艙著陸試驗,如圖4所示,模擬返回艙著陸狀態(tài)下對艙體結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了測量。

圖4 返回艙緩沖氣囊設(shè)計示意圖Fig.4 Cushion airbag design of the reentry capsule

著陸試驗結(jié)果表明,返回艙在內(nèi)囊作用下未發(fā)生觸地;氣囊外囊緩沖過程中壓力控制在135 kPa±5 kPa范圍,艙體結(jié)構(gòu)受到著陸過載控制在10g0左右,時域下的過載/氣囊壓力曲線可視作一個標(biāo)準(zhǔn)的半正弦波,如圖5所示,返回艙結(jié)構(gòu)載荷可控,緩沖氣囊能夠有效地防護結(jié)構(gòu)避免受損。

圖5 著陸試驗返回艙結(jié)構(gòu)過載及氣囊壓力曲線Fig.5 Curves of structure overload and airbag pressure of the reentry capsule during landing tests

3)隔沖減振設(shè)計

為降低上升段振動環(huán)境及分離火工沖擊對船上產(chǎn)品的影響,可分別從沖擊源頭、傳遞路徑和設(shè)備端進行隔沖減振設(shè)計,降低外部載荷對產(chǎn)品壽命的影響。具體實現(xiàn)措施上,針對火工品產(chǎn)生的爆炸沖擊,采用阻尼器、隔沖環(huán)一類的隔沖裝置降低初始載荷;在沖擊傳遞的路徑上通過增加材料分界面和緩沖孔來耗散沖擊傳遞過程中的能量;在對沖擊敏感設(shè)備與艙體安裝接口處設(shè)置隔沖墊,完成進一步的隔沖減振。

4)著陸后防護設(shè)計

飛船返回艙著陸后自然環(huán)境復(fù)雜,沙塵、雨水、鹽霧等環(huán)境會對航天器性能和壽命產(chǎn)生影響,因此需進行著陸后防護設(shè)計,從新一代載人飛船試驗船回收任務(wù)實際情況來看,飛船非密封區(qū)域受著陸場自然環(huán)境影響進入了沙石等多余物,如圖6所示。為避免自然環(huán)境對返回艙重復(fù)使用的影響,針對返回艙回收過程中分離掉的防熱結(jié)構(gòu)開口處需采取防塵措施;發(fā)動機噴口為避免多余物進入應(yīng)設(shè)置過濾網(wǎng)進行防護;其他外部設(shè)備均應(yīng)準(zhǔn)備防護罩,在回收人員到達現(xiàn)場后進行安裝;返回艙在進行必要處置后應(yīng)盡快進入環(huán)境可控的包裝箱,進行轉(zhuǎn)運、運輸。

圖6 返回艙著陸后需防護區(qū)域示意圖Fig.6 Areas to be protected on the reentry capsule after landing

圖7 安定性設(shè)計準(zhǔn)則驗證試驗示意圖Fig.7 Photo of the stability design criteria validation test

3.2.2產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計

通過可重復(fù)使用條件設(shè)計,確定了飛船外部載荷條件,船上產(chǎn)品將根據(jù)載荷條件開展重復(fù)使用性能設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品類型,將返回艙產(chǎn)品分為結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品、管路系統(tǒng)和一般單機分別開展重復(fù)使用性能設(shè)計。

1)結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計

返回艙承力結(jié)構(gòu)包括金屬密封殼體及復(fù)材結(jié)構(gòu),一般按照“無限壽命”準(zhǔn)則開展重復(fù)使用性能設(shè)計,即飛船飛行載荷應(yīng)力水平低于結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力水平。以常見的航天器主承力結(jié)構(gòu)材料鋁合金為例,結(jié)構(gòu)采用靜強度設(shè)計,實際飛行載荷與設(shè)計載荷與關(guān)系為1.5倍,飛行器經(jīng)受實際飛行載荷的應(yīng)力水平是材料屈服應(yīng)力的0.67倍。而鋁合金的疲勞強度一般為屈服強度的0.8倍左右,理論上按照靜強度設(shè)計的飛行器主承力結(jié)構(gòu)在正常飛行條件下是不會產(chǎn)生疲勞。

為了進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高載重比,挖掘密封艙結(jié)構(gòu)承載潛力,引入安定性理論和分析方法。安定是描述理想彈塑性體在反復(fù)載荷作用下發(fā)生塑性變形之后的一種自適應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定量的塑性變形后,產(chǎn)生了有利的殘余應(yīng)力場,從而將物體的彈性極限載荷提高,該方法已在航空、船舶、土木工程等諸多領(lǐng)域得到驗證。針對密封殼體,采用安定性準(zhǔn)則設(shè)計,在應(yīng)力集中處發(fā)生局部屈服情況,仍能夠經(jīng)受交變載荷而保證結(jié)構(gòu)性能。為了驗證安定性設(shè)計準(zhǔn)則的有效性,開展了密封艙重復(fù)加載試驗。根據(jù)仿真及理論計算結(jié)果,密封艙的安定極限為0.278 MPa,屈服極限載荷為0.15 MPa,試驗結(jié)果表明,密封艙在經(jīng)受30次交變安定載荷條件下仍保持強度及密封性能,試驗證明了該理論的正確性。

由于飛船重復(fù)使用長壽命周期運營,飛船會面臨鹽霧、濕熱等對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕的環(huán)境,對于艙體結(jié)構(gòu)采用防腐涂層進行防腐處理,特別對焊縫、密封艙內(nèi)部等關(guān)鍵部位進行整體防護。

2)管路系統(tǒng)可重復(fù)使用性能設(shè)計

管路系統(tǒng)為實現(xiàn)重復(fù)使用[10],可采用無毒的推進劑和工質(zhì),具備良好的人機交互特性,便于返回后的排放操作;盡量選用能夠多次使用工作的組件,減少電爆閥、破裂破片等單次飛行任務(wù)產(chǎn)品;對于采用靜強度設(shè)計的貯箱、氣瓶一類的壓力容器根據(jù)重復(fù)使用條件選取合適的安全系數(shù),覆蓋全壽命周期內(nèi)的使用環(huán)境;針對發(fā)動機、泵等產(chǎn)品的關(guān)鍵部分進行隔振和防護設(shè)計。

3)一般單機可重復(fù)使用性能設(shè)計

對列入到重復(fù)使用范圍的單機產(chǎn)品進行分類,按照類別根據(jù)全壽命周期載荷環(huán)境分析其失效模式,選擇合適的載荷設(shè)計條件開展單機產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計。參考國外關(guān)于重復(fù)使用飛行器硬件試驗要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)指出聲、振動、沖擊環(huán)境對產(chǎn)品工作壽命有顯著影響,其他環(huán)境如熱真空、熱循環(huán)、加速度、電磁兼容、濕度等對產(chǎn)品工作壽命沒有影響或者影響可以忽略。參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范明確了在不改變原有鑒定量級、重復(fù)試驗組數(shù)前提下的試驗條件制定原則,式(1)給出了鑒定試驗時長和正樣產(chǎn)品經(jīng)受飛行任務(wù)環(huán)境(含驗收試驗)時長的關(guān)系。重復(fù)使用性能試驗的設(shè)計原則是在產(chǎn)品鑒定件上開展重復(fù)多組鑒定試驗,試驗通過則證明產(chǎn)品具備重復(fù)使用性能,正樣產(chǎn)品仍只進行驗收試驗證明產(chǎn)品與設(shè)計的一致性。

(1)

式中:TA表示驗收試驗加上飛行總時長,在該時間下飛行產(chǎn)品產(chǎn)生與鑒定見等效的累計疲勞損傷;TQ表示鑒定試驗總時長,在該事件下鑒定件產(chǎn)生與正樣件等效的累計疲勞損傷;b為試驗產(chǎn)品中大多數(shù)對疲勞敏感材料的應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系的疲勞曲線斜率的相反數(shù);M表示鑒定與驗收試驗之間的余量,數(shù)值上等于鑒定量級與驗收試驗量級的比值,單位為dB;S為生產(chǎn)差異參數(shù),表示由于鑒定件和正樣件不是完全一致的產(chǎn)品,兩者在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差異帶來的影響;K為試驗差異參數(shù),取值與試驗容差相關(guān)。

3.2.3可重復(fù)使用維修保障性設(shè)計

飛船可重復(fù)使用維修保障設(shè)計均按照減少拆裝操作,盡可能在船上檢測的原則進行設(shè)計,以實現(xiàn)飛船重復(fù)使用快速狀態(tài)恢復(fù)的能力。

1)金屬結(jié)構(gòu)維修可重復(fù)保障性設(shè)計

返回艙著陸時,著陸場的復(fù)雜地面條件有可能會意外損壞底部艙體結(jié)構(gòu);為此,艙體結(jié)構(gòu)為可拆卸連接設(shè)計。在底部意外損壞時,通過更換損壞部分來恢復(fù)密封艙的使用功能。

靜密封拆卸環(huán)節(jié)、活動密封環(huán)節(jié),出現(xiàn)密封圈意外損傷、外觀質(zhì)量差、密封面劃傷等情況,可采取密封圈更換、密封面維修等措施恢復(fù)密封功能。

提供艙段連接機械接口要求與單機進行接口匹配性設(shè)計和對接要求,同時螺紋接口容易損壞,為此,此局部接口增加可更換的調(diào)整環(huán)節(jié)(即可拆卸的局部接頭),通過更換接頭來恢復(fù)使用功能。

返回艙返回后將利用檢漏、精測、充壓后三維重構(gòu)測試和無損探傷對金屬結(jié)構(gòu)進行檢測。

2)管路系統(tǒng)維修保障性設(shè)計

管路系統(tǒng)上的產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計,各個模塊的對外接口采用活連接,便于模塊整體拆裝、維修、更換。模塊連接接頭使用可重復(fù)使用的活連接接頭與管路連接,使用雙O型圈柱塞接頭,拆裝時不影響密封面,能夠直接更換O型密封圈。

管路系統(tǒng)通過設(shè)計具備在船狀態(tài)恢復(fù)的能力,完成推進劑、工質(zhì)排放后通過等離子水對管路系統(tǒng)進行清洗,利用酒精對殘存液體進行置換,采用高溫氮氣進行吹除,即可具備再次加注能力。

管路系統(tǒng)上的壓力傳感器,通過旁支測試管路設(shè)計,使用標(biāo)準(zhǔn)壓力源,通過地面設(shè)備對回路充氮氣加壓或抽真空的方式即可開展壓力傳感器標(biāo)定測試。

3)機構(gòu)類產(chǎn)品在船檢測設(shè)計

對于泵組、風(fēng)機等一類的存在往復(fù)運動的機構(gòu)類產(chǎn)品可利用產(chǎn)品工作時的聲學(xué)特性在船上不拆下對產(chǎn)品狀態(tài)進行檢測。通過在通過在泵和風(fēng)機電機軸承和基座位置粘貼振動加速度傳感器,測量泵運轉(zhuǎn)時的微振動信號,并與發(fā)射前的測量結(jié)果進行對比,評估泵組、風(fēng)機產(chǎn)品內(nèi)部的狀態(tài),確認(rèn)是否存在影響再次飛行的潛在損傷。

4)防熱結(jié)構(gòu)可拆裝設(shè)計

返回艙的防熱結(jié)構(gòu)為單次使用產(chǎn)品,每次飛行前需更換全新產(chǎn)品。返回艙防熱結(jié)構(gòu)采用分區(qū)設(shè)計與可拆卸設(shè)計,每塊防熱結(jié)構(gòu)均能夠拆裝。每次更換防熱結(jié)構(gòu)時,承力結(jié)構(gòu)上的防熱安裝安裝接口采取精度可調(diào)設(shè)計,避免多次拆裝對安裝精度的影響;安裝接口由可拆卸的連接角片組成,可通過拆卸更換+離線加工的方式,恢復(fù)安裝防熱單元的機械接口精度。

5)產(chǎn)品維修可達性設(shè)計

如圖8所示,由于飛船采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計,返回艙大部分設(shè)備布局在非密封區(qū),側(cè)壁防熱結(jié)構(gòu)拆下后,設(shè)備操作空間開敞,安裝、拆卸均可實施。艙內(nèi)設(shè)備安裝在艙內(nèi)蓋板下方,蓋板可拆裝,拆下后即可對艙內(nèi)設(shè)備進行操作。通過工裝支撐確保設(shè)備順利進出密封艙,或者利用機械臂輔助進出。

3.2.4自主健康監(jiān)測及診斷設(shè)計

為滿足飛船長壽命運營和短周期維保的任務(wù)需求,通過自主健康檢測及診斷設(shè)計,能夠為飛船重復(fù)使用維修、保養(yǎng)、壽命及可靠性預(yù)計、飛行放行提供決策建議。

1)智能化傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

通過需求分析,形成可重復(fù)使用狀態(tài)在軌監(jiān)測需求,搭建以光纖光柵、噪聲信號定位為主的高可靠智能傳感器系統(tǒng)(見圖9),獲取航天器各部件及系統(tǒng)功能的運行參數(shù),通過融合各類特征信息,實現(xiàn)對航天器的狀態(tài)診斷[11],經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后成為判斷航天器單機及系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障,以及能否重復(fù)使用等特征信息,使航天器具備在軌和地面期間損傷快速定位,為故障處置和地面維修提供決策信息。

圖9 基于光纖光柵傳感器的健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of health monitoring system based on fiber grating sensors

2)全壽命周期數(shù)據(jù)分系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

航天器在地面單機測量、分系統(tǒng)聯(lián)試、系統(tǒng)測試、試驗期間以及在軌飛行期間產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),重復(fù)使用后數(shù)據(jù)更是成倍增加,需要建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[12],通過不同維度的分析比對,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理和高效使用[13],通過系統(tǒng)模型和預(yù)設(shè)的安全閾值,綜合分析給出故障風(fēng)險建議。

3)地面快速測試評價系統(tǒng)設(shè)計

航天器返回地面后需要進行系統(tǒng)測試,確保覆蓋性的前提下進行快速測試項目設(shè)計,同時針對在軌診斷的故障,進行全面的故障檢查,根據(jù)需要對單機進行返廠復(fù)檢,為系統(tǒng)健康狀態(tài)提供評價依據(jù)。

4)自主診斷預(yù)測評價系統(tǒng)設(shè)計

航天器在軌獲取的數(shù)據(jù)是航天器在軌健康評價的數(shù)據(jù)源[14],也是地面“視情維修”的重要依據(jù),為確保航天器在軌安全運行,需要對航天器在軌自主診斷的需求進行分析,受在軌硬件資源的限制,聚焦航天器主要功能和關(guān)鍵參數(shù)的診斷,確定可靠的診斷方案,對災(zāi)難性故障實現(xiàn)自主隔離,結(jié)合地面飛控支持對關(guān)聯(lián)故障及次生故障進行預(yù)測和排除。

4 飛行驗證情況

針對新一代載人飛船可重復(fù)使用技術(shù)已在前期搭載飛行中進行了先期驗證,具體如下:

2016年6月,利用CZ-7運載火箭首飛搭載開展了多用途飛船縮比返回艙無控再入飛行試驗。本次飛行驗證對防熱結(jié)構(gòu)拆裝設(shè)計、金屬結(jié)構(gòu)重復(fù)使用進行了驗證。返回艙返回后進行了防熱結(jié)構(gòu)拆裝,對金屬結(jié)構(gòu)進行了狀態(tài)檢查,經(jīng)檢查主結(jié)構(gòu)完好,防熱結(jié)構(gòu)能夠正常拆裝,如圖10所示。

圖10 防熱結(jié)構(gòu)拆裝狀態(tài)示意圖Fig.10 Photos of disassembly and assembly status of the heat protection structure

2020年5月,利用CZ-5B運載火箭首飛搭載進行了新一代載人飛船試驗船高速再入飛行試驗。該飛行試驗對重復(fù)使用技術(shù)進行了進一步驗證,返回狀態(tài)如圖11所示。具體如下:

圖11 新一代載人飛船試驗船返回后狀態(tài)示意圖Fig.11 State of the test version of China’s next-generation manned spacecraft after returning

1)對防熱結(jié)構(gòu)拆裝設(shè)計進行了全面驗證,實現(xiàn)了防熱結(jié)構(gòu)100%可拆裝、安裝精度可恢復(fù);

2)艙體結(jié)構(gòu)在氣囊保護下完好無變形;結(jié)構(gòu)著陸過載經(jīng)測量小于9;密封艙漏率指標(biāo)和結(jié)構(gòu)度指標(biāo)變化率小于0.1%,與發(fā)射前數(shù)據(jù)基本一致;

3)使用了多臺返回件(即至少經(jīng)歷過一次飛行任務(wù)的產(chǎn)品),返回后加電測試、返廠測試均正常;

4)利用光纖光柵傳感系統(tǒng)進行在軌環(huán)境監(jiān)測,對飛船自主健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了初步驗證。

5 結(jié) 論

航天器重復(fù)使用技術(shù)是降低天地往返運輸成本,提升航天綜合效益的重要手段,也是下一代載人航天器的重要特征。本文從可重復(fù)使用條件設(shè)計、產(chǎn)品可重復(fù)使用性能設(shè)計、可重復(fù)使用維修保障性設(shè)計和自主健康檢測及診斷設(shè)計4個維度提出了航天器可重復(fù)使用技術(shù)體系,可用于指導(dǎo)新一代載人飛船開展重復(fù)使用研制。