月球取样返回器回收半实物仿真系统研究

王海涛 程文科 秦子增

（国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073）

0 引言

我国探月工程三期中，月球取样返回器回收分系统对可靠性有很高的要求，需要进行大量的试验和仿真研究。除了通过空投试验对返回器回收分系统进行功能验证和可靠性评估以外，半实物仿真试验也是进行返回器回收分系统仿真试验研究的一项重要的可靠性试验。由于半实物仿真试验系统是由返回器回收过程的动力学仿真程序和返回器上的回收控制器及压力高度控制器等真实的硬件设施构成回路系统，因此，半实物仿真系统不但可以用于分析返回器回收过程中的各项动力学指标和参数，而且可以对系统中的返回器上的回收控制器和压力高度控制器进行充分的测试和考核，为回收分系统高可靠性、高安全性和高性能等技术指标的实现提供强有力的保证[1-4]。

文献[5-6]介绍了我国“神舟”系列载人飞船回收着陆分系统研制的半实物仿真系统，与其相比，月球取样返回器回收分系统半实物仿真系统主要具有以下研制需求：

1）由于月球取样返回器模型和回收流程的改变，需对仿真模型进行重新的修改、验证和调试；

2）月球取样返回器与载人飞船回收系统的程控装置相比，其指令序列及接口也需要根据指令流程和信号技术指标研发相配套的回收控制器测试和输入输出（input/output,I/O）系统；

3）在月球取样返回器程控自动测试和I/O装置中，增加了压力高度开关信号抖动模拟和程控装置循环测试功能，这是“神舟”系列载人飞船回收系统的程控装置所不具备的；

4）研制的环境压力模拟装置具有控制容积可变，控制压力和启动高度范围大、适应范围广的特点，既可满足月球取样返回器半实物仿真需求，又方便于系统的升级和改造。

本文是对已经成功研制的月球取样返回器回收分系统半实物仿真系统的总结，但由于系统涉及到动力学建模与实时仿真、环境压力模拟、程控自动测试与I/O、可视化、混合网络交互等众多研究内容和关键技术，限于篇幅，本文仅就总体设计方案、系统结构和运行效果进行介绍。

1 回收半实物仿真系统架构

1.1 系统总体结构

图1 半实物仿真系统结构Fig.1 The configuration of hardware-in-the-loop simulation system

其中回收仿真子系统是半实物仿真系统的核心，主要完成仿真管理、动力学仿真计算、结果数据管理等任务，同时具备曲线显示功能。

程控自动测试与I/O子系统可单独作为回收程序控制装置的自动测试设备，在整个半实物仿真系统的回路中，该系统则是回收仿真子系统和回收程序控制装置之间指令、数据的输入输出接口设备。

环境压力模拟子系统可根据回收仿真子系统实时计算得到的期望压力作为数据驱动，实时跟随和模拟返回器取压孔附近的环境压力，为回收程序控制装置中的压力高度控制器提供一个真实的压力环境。

可视化子系统可以根据回收仿真子系统的实时计算结果，通过网络实时接收仿真计算结果数据，并驱动舱伞系统运动，以三维实体可视化的方式逼真地渲染整个返回器回收过程。

回收程序控制装置是半实物仿真系统的重要设备，在整个半实物仿真回路中提供激励信号，并响应反馈指令。

1.2 系统网络环境

系统由回收仿真工作站、环境压力模拟器、可视化工作站和程控自动测试与I/O装置共4个节点组成。其中回收仿真工作站、可视化工作站和程控自动测试与I/O装置3个节点通过以太交换网进行数据和指令交互，回收仿真工作站和环境压力模拟器的数据交互通过控制器局域网络（controller area network,CAN）实现，如图2所示。CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线，回收仿真子系统与环境压力模拟子系统之间的数据通信量很大，两个子系统之间采取CAN总线实现实时网络通信既可保证实时性、又可保证可靠性，且价格相对低廉[7-8]。

本研究将中老年民众保健食品风险认知情况以李克特五级量表衡量(1=完全不同意，5=完全同意)，分值越高表示中老年民众的风险认知水平越高。

图2 半实物仿真系统网络环境Fig.2 The communication environmentof hardware-in-the-loop simulation system

1.3 系统运行流程

以月球取样返回器的正常返回过程为例，半实物仿真系统的运行流程如下：

1）主开关通指令发出后，回收程序控制装置加电并启动工作，与此同时，仿真程序开始运行，此时模型为单舱运行，并根据仿真状态，不断计算取压孔处压力并发送到压力模拟装置；同时压力模拟装置不断模拟仿真程序提供的需求压力；在每一个仿真步，仿真程序都检测回收程序控制装置是否有指令发出。

2）随着返回器高度的不断降低，压力模拟装置的压力不断增大，最终使压力高度控制器开关接通，此时回收程序控制装置设为第一个时间零点t1=0s，此时间零点也是回收程序控制器后续指令的时间零点。仿真程序继续单舱运行。在每一个仿真步，仿真程序都检测回收程序控制装置是否有指令发出。

3）回收程序控制装置发出弹伞舱盖指令。仿真程序接到该指令后，调用弹盖后系统的动力学模型开始仿真计算。依次进行减速伞拉直、充气和全张满过程的仿真计算，在这些计算的每一个仿真步中，仿真程序都检测回收程序控制装置是否有指令发出。

4）回收程序控制装置发出拉主伞指令。仿真程序接到该指令后，依次计算脱减速伞、主伞拉直、充气和全张满过程。同时不断检测回收程序控制装置是否有指令发出。

5）回收程序控制装置发出“脱主伞保险解除”反馈指令，并由程控自动测试与I/O子系统记录。

6）回收仿真子系统接收到“脱主伞保险解除”指令后，当返回器着陆产生冲击过载后，仿真主程序向程控装置发出“过载开关通”激励指令，当接收到“过载开关通”反馈指令时，记时间零点t2=0s，此时间零点是“脱主伞”指令的时间零点。

7）回收程序控制装置发出“脱主伞”反馈指令，并由程控自动测试与I/O子系统记录，此时回收仿真系统的动力学仿真已结束。

在仿真过程中，回收仿真子系统按照设计要求向可视化子系统发送相关数据，以数据驱动其显示功能。为了保证环境压力模拟子系统调节压力的精度和数据处理方便，环境压力模拟子系统同时以CAN通讯的形式向动力学子系统发送当前压力数据，回收仿真子系统仿真基本流程如图3所示。

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

1.4 系统新特点

月球取样返回器回收半实物仿真系统的研制继承了载人飞船回收着陆分系统半实物仿真系统的很多经验，然而比较而言也有很多创新和改进的地方，新系统的创新之处主要有：

1）程控自动测试与I/O子系统。载人飞船回收着陆分系统半实物仿真系统的程控自动测试与I/O子系统在程控数据采集以及上位机和下位机的交互部分基本上都是数字量，而月球取样返回器回收半实物仿真系统的程控自动测试与I/O子系统在此部分基本都是模拟量，数据传输和采集机制有着根本性的改变，数据传输量大，实时性要求高，工作量大；而且子系统增加了模拟飞行过程中压力高度控制开关信号的抖动测试功能，增加了对回收控制器进行可重复连续的可靠性测试功能的功能。

2）环境压力模拟子系统。环境压力模拟器主要是在模拟精度以及系统的可扩展性和适用性方面做出较大的改进和提高，采用了可靠性更高、功率更大的真空泵以及更高精度的测量和控制传感器，对压力容腔接口进行设计，使其可适用于不同型号压力高度控制开关和压力容腔的压力环境模拟。

3）回收动力学仿真子系统。根据月球取样返回器回收系统的工作过程和故障模式建立相应模型和编制相关程序，增加舱伞组合体与伞舱盖和舱盖伞组合体之间相对运动模块的分析，利用空投试验结果对仿真精度进行验证，对和程控自动测试、I/O子系统以及压力环境模拟子系统的通讯部分进行相应的模块编制。另外，载人飞船回收半实物仿真系统中的曲线显示子系统的功能在月球取样返回器回收半实物仿真系统中被完全移植到回收动力学子系统。

4）可视化子系统。根据月球取样返回器回收系统的工作过程进行相关实体模型和动作时序的改进和调整。

2 回收半实物仿真系统动力学模型

月球取样返回器的回收半实物仿真动力学模块的实现依据分层建模思想，仿真框架包含 4个层次：基础层、专业层、特化层、交互层，动力学仿真类库结构如图4所示。基础层是在各仿真领域完全通用的算法；专业层则封装了在降落伞系统动力学领域通用的模型和算法；特化层在前两层之上加入了具体系统模型的特点；交互层为最顶层，主要完成与用户的交互工作。各个层次也采用分层设计，每层又分为若干子层。利用面向对象方法中继承的概念，可以在子层的类库加入新的仿真模型，从而实现仿真框架的扩充[9-10]。

图4 动力学仿真类库结构Fig.4 The configuration of class libraries for dynam ic simulation

利用开发的仿真类库，将月球取样返回器正常返回流程进行分阶段建模，可以开发出其整个回收过程和设定回收流程的动力学仿真程序，正常情况下月球取样返回器回收系统工作流程，如图5所示。

图5 回收系统工作流程Fig.5 Thework flow of recovery system

3 仿真结果试验

在完成月球取样返回器回收半实物仿真系统的研制工作后，需要对系统的仿真精度进行验证分析。限于篇幅，本文主要列出于2013年12月份针对月球取样返回器回收系统进行的3个典型架次空投试验的主伞开伞力峰值以及1个架次的主伞开伞力、高度、速度和摆角随时间变化的验证对比分析。

表1是典型3个架次的开伞力峰值比较，由比较可知，仿真预测的主伞一级和二级开伞力峰值略偏大于实际测量值，但偏差在8%以内，最小偏差仅0.3%，可认为经充气模型修正后，主伞的开伞力预测精度基本满足任务设计需求。

表1 开伞力峰值的验证Tab.1 Validation of peak value of parachute opening force

图6是典型架次的主伞开伞力、高度、速度和摆角的仿真计算结果的试验验证，由图可以看出，在开伞力和轨迹方面，仿真系统的预测精度比较高，完全可以满足任务需求。而姿态方面，目前仿真预测的摆角幅度稍大于实测幅度约2º，预测摆动周期低于实测摆动周期1～2s。

在半实物仿真的正常回收流程中，表2列出关键指令的设计时序和实际指令时序的偏差，经比较，半实物仿真系统的仿真实时性完全可以满足仿真需求。

表2 时序精度Tab.2 Precision of scheduling

图7为半实物仿真返回器接近开伞点时取压孔压力变化，图中期望压力为回收着陆动力学仿真子系统向环境压力模拟子系统发送的压力值，反馈压力为环境压力模拟装置封闭容腔内的模拟压力。从图中可以看出，环境压力模拟装置的压力控制响应速度、稳态精度、动态精度、上升响应速度都在设计范围内，数据分析表明其反馈压力与期望压力的误差一般不超过50Pa，远远小于压力高度控制器的工作误差范围。

图7 返回器开伞点附近取压孔压力变化Fig.7 The pressure around the deploy time of lunar return spacecraft

4 结束语

本文从总体的角度介绍了针对我国探月工程三期中月球取样返回器回收分系统开发的半实物仿真系统，该半实物仿真系统可适用于各种回收工作模式下月球取样返回器整个回收着陆过程的性能分析和研究，利用该试验平台可开展大量的可重复的半实物仿真试验。月球取样返回器回收分系统半实物仿真系统不仅可以对返回器的整个回收过程进行动力学仿真和可视化输出，对相应回收过程的动力学特性进行分析研究，而且可为回收分系统总体设计、回收飞行方案和压力控制开关、程序控制器提供可视化仿真分析、评估、验证与自动化测试技术支持，半实物仿真试验研究结果可为我国月球取样返回器回收分系统的评定提供重要参考。

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