空天飞行器质量特性设计方法研究

2018-12-08满益明吴俊辉康军代京

航天器工程 2018年4期

满益明吴俊辉康军代京

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076)

本文研究的空天飞行器是一种集航空、航天技术于一体，兼有航空和航天功能，既能在轨执行任务又能在机场水平着陆的飞行器[1]，具有“按需进出空间、可承载多任务载荷、大范围自主机动、高精度载荷部署、升力式无动力再入、水平着陆、多次重复使用”特点。空天飞行器质量特性(质量、质心位置、转动惯量、惯量积等)是飞行器总体设计的重要依据和关键控制参数，与飞行器总体性能和技术指标密切相关，其设计与控制贯穿于空天飞行器全生命研制周期[2-7]。

传统航天器的质量特性设计通常选取飞行任务剖面内的典型状态开展计算分析，而对整个航天器飞行任务期间的质量特性缺少动态设计与分析。飞机的质量特性设计重点考虑质量特性对操纵性能和机动性能的影响，一方面关注大气层内飞机质量特性(考虑燃油和乘客或货物)、气动布局与特性和飞控系统间的优化设计，另一方面强调长期运行经济性[8-10]。空天飞行器全任务剖面包含地面运输、推进剂加注、发射上升段、长期在轨运行期间各任务状态、离轨过渡、初期再入、能量管理和进场着陆等7个阶段，空间机构展开、收拢，辐射器展开、收拢，太阳电池阵展开、收拢，有效载荷在轨部署、回收等多种典型状态，相比传统航天器，空天飞行器质量特性的计算及技术状态管理更为复杂。空天飞行器质量特性不仅需满足发射、长期在轨运行、空间机构与有效载荷动态变化等典型工况需求，而且还需针对飞行器高空高速高动态再入飞行与精确着陆特性开展详细设计与分析，在此基础上，综合考虑其他约束，对全任务剖面质量特性开展一体化优化设计和综合分析。

本文针对空天飞行器质量特性设计难点，梳理明确了质量特性设计要求，提出了质量特性设计难点解决方案：“五确定”方法+基于数字化样机的质量特性管理系统的组合方案,解决了空天飞行器质量特性多约束强耦合优化设计和高效、统一、动态管理空天飞行器全生命周期质量特性数据的难题。

1 空天飞行器质量特性设计难点

空天飞行器质量特性设计作为飞行器总体设计的重要内容，主要面临“五化”难点[3]：

(1)全程控制精确化。空天飞行器任务剖面涵盖地面、发射上升、长期在轨、离轨、初期再入、能量管理和进场着陆等各个阶段，飞行各关键点质量特性具有控制要求差异大，质量特性动态变化大，典型状态间高度耦合等难点，飞行器质量特性需针对全任务剖面开展系统级优化设计，提出各关键点质量特性精确控制要求。

(2)设计分析全程化。质量特性设计的工作重点随着设计阶段的变化而变化，前期主要关注质量特性的估算、分配及总体方案可行性分析，研制中期重点关注质量特性的动态变化趋势及针对性控制措施，研制后期重点工作为质量特性测量方案、产品实测数据及偏差控制等。

(3)数据来源多样化。项目各研制阶段，质量特性基础数据来源不同，有经验数据、三维数模、理论计算数据、实际测量数据[4,11]等，数据来源对数据的偏差和可信度起着决定性作用，对部组件、分系统和全飞行器质量特性估算结果的准确性及偏差有着重要影响。

(4)统计数据海量化。空天飞行器系统复杂，采用数字化设计手段后，基于产品的三维数模数据达到几十、甚至上百GB，开展质量特性统计分析时，需从海量数模数据中提取全部质量特性数据[12]，并基于这些数据开展分析计算，获取各典型状态质量特性。部组件、分系统所提供的统计数据是全飞行器质量特性设计的基础数据，其时效性对各阶段质量特性设计的准确性及变化趋势有重要影响。

(5)数据分析动态化。不同设计阶段，同一部组件的质量特性基础数据的来源通常随着研制工作的推进而变化，早期数据通常通过经验估算获得，中期通过三维数模获取，后期通过实际测量获得。数据分析过程中，需建立庞大的数据库，对数据进行动态管理，提取各状态的变化过程，开展边界检查分析和匹配性分析。

2 空天飞行器质量特性设计方法

2.1 质量特性设计要求

空天飞行器质量特性与飞行器总体性能和技术指标密切相关，是飞行器总体设计的核心参数，综合考虑空天飞行器任务剖面特点及平台应用需求，确定了五方面质量特性设计要求。

(1)平台通用化使用需求。空天飞行器作为一类通用平台，可根据任务需要携带多样有效载荷入轨开展空间任务，不同的有效载荷，不同飞行状态、不同飞行任务，飞行器质量特性，尤其是质心将在较大范围内变化。如航天飞机质心变化范围为2%的标称长度，约为200 mm。因此，考虑到空天飞行器的通用性和对各类有效载荷的适应性，飞行器可适应的质量特性变化范围应足够大。

(2)空天飞行器质量特性应满足控制能力约束。为确保飞行器全任务剖面内均具有较好的控制能力，在气动布局确定后，控制系统将提出控制能力对质量特性尤其是质心的约束条件，该条件将作为质量特性设计时的关键约束条件。为提高空天飞行器使用的利用率，在空天飞行器几何尺寸、现有控制执行机构等约束下，飞行器可接受的质量特性变范围应尽可能大。

(3)空天飞行器入轨质量应满足运载火箭发射要求，以降低发射成本和缩短研制周期。

(4)空天飞行器入轨质量应满足水平着陆要求。空天飞行器完成长期在轨任务后，将水平着陆于机场，飞行器着陆质量一方面受到机身及机翼载荷的约束和限制，另一方面还受到着陆滑跑系统着陆速度、下沉率及机场跑道条件等着陆性能指标的限制。

(5)空天飞行器质量特性设计还需考虑运输方式、大型地面试验及吊装等使用需求。

2.2 质量特性设计“五确定”方法

空天飞行器质量特性设计涉及地面、发射上升、长期在轨、离轨、初期再入、能量管理和进场着陆等7个阶段，各阶段均有对应的标称状态和偏差，且状态间存在高度耦合性。空天飞行器质量特性设计流程见图1。

1)确定约束条件

从质量特性设计要求可以看出，空天飞行器质量特性设计约束条件较多，包含平台通用性、运载火箭发射要求、飞行器控制能力、着陆性能、力热环境等，当约束条件冲突时，必须统筹考虑，并借助一定的设计手段，确定约束条件优先级及平衡权重。

2)确定基准状态

以质量特性设计确定的约束条件和权重为依据，对各阶段典型状态质量特性进行综合对比分析，确定最严苛的质量特性状态，将其作为全飞行器质量特性的基准状态。基准状态的选择对空天飞行器研制工作至关重要，极有可能带来设计工作的反复和方案的颠覆。因此，基准状态的确定，常常需要通过开展多轮迭代设计，多工况对比确定。基准状态一旦确定，后续设计过程中，除非出现重大问题，一般不允许发生更改。

3)确定典型状态

在基准状态确定后，将以其为基线，从总体技术指标、控制能力、在轨任务、空间机构展收运动、着陆装置状态等方面，对全任务剖面内的典型动作和关键事件进行详细梳理，以确定空天飞行器质量特性设计的典型状态，明确各典型状态间质量特性的获取方式。空天飞行器全生命周期内，空间机构类部件和有效载荷的状态较多，质量特性设计时，在确定典型状态后，还需对各典型状态下固定部分、变状态部分和损耗部分进行整合，确定典型状态计算的最小组成单元。在典型状态质量特性计算时，需结合组成部分状态的变化，对质量特性进行计算。

4)确定偏差范围

在质量特性设计的典型状态确定后，接下来要确定的就是各状态对应的偏差范围。质量特性设计时需考虑各种偏差，如因生产制造引起的干重偏差、推进剂加注引起的偏差、仪器电缆安装相对于总体布局引起的偏差、部组件或零件及全飞行器的质量特性测量偏差、有效载荷状态变化引起的偏差等；同时，不同的设计阶段，质量特性统计数据的来源及准确度也不一样，因此，在开展空天飞行器质量特性设计时，在不同的设计阶段，通过对质量特性数据来源的区分，及有可能给出不同的偏差范围。

5)确定表现形式

在空天飞行器全任务剖面内典型状态及质量特性偏差确定后，还需综合考虑各系统设计难度及约束条件，确定质量特性提供各系统的表现形式。空天飞行器总体设计的各个环节，导航、制导与控制(GNC)系统对飞行器质量特性及偏差的使用最为严格。为降低GNC系统控制器稳定性和强鲁棒性的设计难度，设计质量特性时，采用质量特性标称值变化范围+质量特性偏差的形式。空天飞行器作为一个通用平台，需具备携带各类有效载荷入轨开展任务的能力，飞行器质量特性应具有较大的变化范围。GNC系统常在质量特性标称值范围内设计多个控制器，系统设计、仿真及试验验证时，除针对质量特性变化范围内的确定值开展偏差分析验证各控制器控制性能外，还需对多控制器间的平滑性进行验证。

(1)质量特性标称值设计。以全任务剖面7个阶段的典型状态为基线，对各典型状态下的组成及动态变化进行详细梳理，将质量特性组成分为三大类：固定部分、变状态部分和损耗部分。固定部分定义为不随飞行器各状态变化而变化的部分，如飞行器主结构质量特性、仪器设备质量特性等。变状态部分随着飞行器状态的变化而变化，但此部分质量不会发生变化，如空间机构的运动过程、着陆架的收起及放下等。损耗部分的质量特性会随着状态的变化而发生损耗、甚至消失，如推进剂的质量特性、有效载荷在轨释放后带来的质量特性变化等。作为通用平台，不同飞行状态，有效载荷状态及仪器设备总体布局不一样，飞行器质量特性变化范围较大；同时，不同设计阶段，空天飞行器设计的详细程度不一样，数据来源也不一样，最终数据的精确度也不一样。质量特性设计时，按照一定的设计规则，对三部分质量特性标称值变化范围进行分析与整合，从而确定质量特性标称值变化范围。

(2)质量特性偏差设计。飞行器质量特性设计时，除考虑飞行器质量特性标称值及变化范围外，还需考虑设计偏差、测量偏差和飞行期间质量特性微小变化造成的偏差等。设计偏差主要包括不同设计阶段数据来源的差异引起的偏差、三维数模简化造成的偏差、质量特性数据合成过程中引起的偏差、质量特性配平质量带来的偏差、质量特性控制预计偏差等。测量偏差主要包括质量特性测量精度、状态不覆盖引起的偏差等。质量特性测量精度主要取决于测量设备和测量方法的精度与数据处理偏差。飞行期间质量特性微小变化引起的偏差重点考虑多孔隙材料挥发、水气回收量、真空放气等因素引起的质量变化。

3 质量特性管理系统设计与应用

3.1 质量特性管理系统方案

相比传统航天器，空天飞行器质量特性的计算及技术状态管理更为复杂。随着先进数字化技术和三维数字样机技术的发展与工程应用[12-14]，空天飞行器质量特性控制变得相对容易，且易于实现，可有效解决传统设计模式全飞行器质量特性数据难以统一管理，设计过程中部组件、单机设备和全飞行器质量特性无法精确控制和评估等难题，降低统计工作量、减少重复性劳动，提高质量特性原始数据统计工作的准确性和时效性。针对空天飞行器质量特性设计特点，基于CATIA模块数字化设计软件环境，完成了飞行器质量特性管理系统开发，并通过了工程验证，相比于传统质量特性的计算及管理方法，该系统计算速度更快、数据更为准确，实现了飞行器质量特性全生命周期的动态可控、可见和可追溯。

飞行器质量特性管理系统工作流程如图2所示。

从图2中可以看出，飞行器质量特性数据管理、分析与评估子系统的相关功能模块均围绕飞行器质量特性数据库展开，质量特性数据库不单独作为功能模块，各功能模块分别依照其业务需求对飞行器质量特性数据库进行读写操作交换数据。质量特性数据库作为该系统的核心，只有基于各零部件、部组件、分系统的质量特性才能建立全飞行器质量特性数据库。此外，管理系统还需具备质量特性数据双向自动存/取、从外部系统输入质量特性数据和向外部输出质量特性数据等功能，以满足数据库动态更新计算、外系统提交质量特性表单、各专业自动提取不同状态质量特性参数等需求。飞行器质量分布计算子系统通过对CATIA模型的前处理、网格划分和质量块生成，完成飞行器及其主要部件的质量分布计算。

3.2 质量特性管理系统典型应用

某空天飞行器项目研制过程中，基于飞行器质量特性管理系统，对不同研制阶段各零部件、部组件、子系统、分系统及全飞行器质量特性变化历程进行了全程记录，形成了多个版本的质量特性状态，建立了质量特性数据库，不仅实现了全飞行器质量特性数据的全过程动态可控、可见和可追溯，而且降低了设计人员重复性工作量，几十GB三维数模设计状态的全飞行器质量特性数据库建立与更新的设计效率提高了50%左右，并且保证了数据的准确性。某部组件质量变化历程如图3所示。