滿益明 吳俊輝 康軍 代京

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

本文研究的空天飛行器是一種集航空、航天技術(shù)于一體，兼有航空和航天功能，既能在軌執(zhí)行任務(wù)又能在機場水平著陸的飛行器[1]，具有“按需進出空間、可承載多任務(wù)載荷、大范圍自主機動、高精度載荷部署、升力式無動力再入、水平著陸、多次重復使用”特點?？仗祜w行器質(zhì)量特性(質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、慣量積等)是飛行器總體設(shè)計的重要依據(jù)和關(guān)鍵控制參數(shù)，與飛行器總體性能和技術(shù)指標密切相關(guān)，其設(shè)計與控制貫穿于空天飛行器全生命研制周期[2-7]。

傳統(tǒng)航天器的質(zhì)量特性設(shè)計通常選取飛行任務(wù)剖面內(nèi)的典型狀態(tài)開展計算分析，而對整個航天器飛行任務(wù)期間的質(zhì)量特性缺少動態(tài)設(shè)計與分析。飛機的質(zhì)量特性設(shè)計重點考慮質(zhì)量特性對操縱性能和機動性能的影響，一方面關(guān)注大氣層內(nèi)飛機質(zhì)量特性(考慮燃油和乘客或貨物)、氣動布局與特性和飛控系統(tǒng)間的優(yōu)化設(shè)計，另一方面強調(diào)長期運行經(jīng)濟性[8-10]?？仗祜w行器全任務(wù)剖面包含地面運輸、推進劑加注、發(fā)射上升段、長期在軌運行期間各任務(wù)狀態(tài)、離軌過渡、初期再入、能量管理和進場著陸等7個階段，空間機構(gòu)展開、收攏，輻射器展開、收攏，太陽電池陣展開、收攏，有效載荷在軌部署、回收等多種典型狀態(tài)，相比傳統(tǒng)航天器，空天飛行器質(zhì)量特性的計算及技術(shù)狀態(tài)管理更為復雜。空天飛行器質(zhì)量特性不僅需滿足發(fā)射、長期在軌運行、空間機構(gòu)與有效載荷動態(tài)變化等典型工況需求，而且還需針對飛行器高空高速高動態(tài)再入飛行與精確著陸特性開展詳細設(shè)計與分析，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮其他約束，對全任務(wù)剖面質(zhì)量特性開展一體化優(yōu)化設(shè)計和綜合分析。

本文針對空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計難點，梳理明確了質(zhì)量特性設(shè)計要求，提出了質(zhì)量特性設(shè)計難點解決方案：“五確定”方法+基于數(shù)字化樣機的質(zhì)量特性管理系統(tǒng)的組合方案,解決了空天飛行器質(zhì)量特性多約束強耦合優(yōu)化設(shè)計和高效、統(tǒng)一、動態(tài)管理空天飛行器全生命周期質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的難題。

1 空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計難點

空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計作為飛行器總體設(shè)計的重要內(nèi)容，主要面臨“五化”難點[3]：

(1)全程控制精確化?？仗祜w行器任務(wù)剖面涵蓋地面、發(fā)射上升、長期在軌、離軌、初期再入、能量管理和進場著陸等各個階段，飛行各關(guān)鍵點質(zhì)量特性具有控制要求差異大，質(zhì)量特性動態(tài)變化大，典型狀態(tài)間高度耦合等難點，飛行器質(zhì)量特性需針對全任務(wù)剖面開展系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計，提出各關(guān)鍵點質(zhì)量特性精確控制要求。

(2)設(shè)計分析全程化。質(zhì)量特性設(shè)計的工作重點隨著設(shè)計階段的變化而變化，前期主要關(guān)注質(zhì)量特性的估算、分配及總體方案可行性分析，研制中期重點關(guān)注質(zhì)量特性的動態(tài)變化趨勢及針對性控制措施，研制后期重點工作為質(zhì)量特性測量方案、產(chǎn)品實測數(shù)據(jù)及偏差控制等。

(3)數(shù)據(jù)來源多樣化。項目各研制階段，質(zhì)量特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源不同，有經(jīng)驗數(shù)據(jù)、三維數(shù)模、理論計算數(shù)據(jù)、實際測量數(shù)據(jù)[4,11]等，數(shù)據(jù)來源對數(shù)據(jù)的偏差和可信度起著決定性作用，對部組件、分系統(tǒng)和全飛行器質(zhì)量特性估算結(jié)果的準確性及偏差有著重要影響。

(4)統(tǒng)計數(shù)據(jù)海量化?？仗祜w行器系統(tǒng)復雜，采用數(shù)字化設(shè)計手段后，基于產(chǎn)品的三維數(shù)模數(shù)據(jù)達到幾十、甚至上百GB，開展質(zhì)量特性統(tǒng)計分析時，需從海量數(shù)模數(shù)據(jù)中提取全部質(zhì)量特性數(shù)據(jù)[12]，并基于這些數(shù)據(jù)開展分析計算，獲取各典型狀態(tài)質(zhì)量特性。部組件、分系統(tǒng)所提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是全飛行器質(zhì)量特性設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其時效性對各階段質(zhì)量特性設(shè)計的準確性及變化趨勢有重要影響。

(5)數(shù)據(jù)分析動態(tài)化。不同設(shè)計階段，同一部組件的質(zhì)量特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源通常隨著研制工作的推進而變化，早期數(shù)據(jù)通常通過經(jīng)驗估算獲得，中期通過三維數(shù)模獲取，后期通過實際測量獲得。數(shù)據(jù)分析過程中，需建立龐大的數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理，提取各狀態(tài)的變化過程，開展邊界檢查分析和匹配性分析。

2 空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計方法

2.1 質(zhì)量特性設(shè)計要求

空天飛行器質(zhì)量特性與飛行器總體性能和技術(shù)指標密切相關(guān)，是飛行器總體設(shè)計的核心參數(shù)，綜合考慮空天飛行器任務(wù)剖面特點及平臺應(yīng)用需求，確定了五方面質(zhì)量特性設(shè)計要求。

(1)平臺通用化使用需求?？仗祜w行器作為一類通用平臺，可根據(jù)任務(wù)需要攜帶多樣有效載荷入軌開展空間任務(wù)，不同的有效載荷，不同飛行狀態(tài)、不同飛行任務(wù)，飛行器質(zhì)量特性，尤其是質(zhì)心將在較大范圍內(nèi)變化。如航天飛機質(zhì)心變化范圍為2%的標稱長度，約為200 mm。因此，考慮到空天飛行器的通用性和對各類有效載荷的適應(yīng)性，飛行器可適應(yīng)的質(zhì)量特性變化范圍應(yīng)足夠大。

(2)空天飛行器質(zhì)量特性應(yīng)滿足控制能力約束。為確保飛行器全任務(wù)剖面內(nèi)均具有較好的控制能力，在氣動布局確定后，控制系統(tǒng)將提出控制能力對質(zhì)量特性尤其是質(zhì)心的約束條件，該條件將作為質(zhì)量特性設(shè)計時的關(guān)鍵約束條件。為提高空天飛行器使用的利用率，在空天飛行器幾何尺寸、現(xiàn)有控制執(zhí)行機構(gòu)等約束下，飛行器可接受的質(zhì)量特性變范圍應(yīng)盡可能大。

(3)空天飛行器入軌質(zhì)量應(yīng)滿足運載火箭發(fā)射要求，以降低發(fā)射成本和縮短研制周期。

(4)空天飛行器入軌質(zhì)量應(yīng)滿足水平著陸要求。空天飛行器完成長期在軌任務(wù)后，將水平著陸于機場，飛行器著陸質(zhì)量一方面受到機身及機翼載荷的約束和限制，另一方面還受到著陸滑跑系統(tǒng)著陸速度、下沉率及機場跑道條件等著陸性能指標的限制。

(5)空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計還需考慮運輸方式、大型地面試驗及吊裝等使用需求。

2.2 質(zhì)量特性設(shè)計“五確定”方法

空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計涉及地面、發(fā)射上升、長期在軌、離軌、初期再入、能量管理和進場著陸等7個階段，各階段均有對應(yīng)的標稱狀態(tài)和偏差，且狀態(tài)間存在高度耦合性?？仗祜w行器質(zhì)量特性設(shè)計流程見圖1。

1)確定約束條件

從質(zhì)量特性設(shè)計要求可以看出，空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計約束條件較多，包含平臺通用性、運載火箭發(fā)射要求、飛行器控制能力、著陸性能、力熱環(huán)境等，當約束條件沖突時，必須統(tǒng)籌考慮，并借助一定的設(shè)計手段，確定約束條件優(yōu)先級及平衡權(quán)重。

2)確定基準狀態(tài)

以質(zhì)量特性設(shè)計確定的約束條件和權(quán)重為依據(jù)，對各階段典型狀態(tài)質(zhì)量特性進行綜合對比分析，確定最嚴苛的質(zhì)量特性狀態(tài)，將其作為全飛行器質(zhì)量特性的基準狀態(tài)?；鶞薁顟B(tài)的選擇對空天飛行器研制工作至關(guān)重要，極有可能帶來設(shè)計工作的反復和方案的顛覆。因此，基準狀態(tài)的確定，常常需要通過開展多輪迭代設(shè)計，多工況對比確定?；鶞薁顟B(tài)一旦確定，后續(xù)設(shè)計過程中，除非出現(xiàn)重大問題，一般不允許發(fā)生更改。

3)確定典型狀態(tài)

在基準狀態(tài)確定后，將以其為基線，從總體技術(shù)指標、控制能力、在軌任務(wù)、空間機構(gòu)展收運動、著陸裝置狀態(tài)等方面，對全任務(wù)剖面內(nèi)的典型動作和關(guān)鍵事件進行詳細梳理，以確定空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計的典型狀態(tài)，明確各典型狀態(tài)間質(zhì)量特性的獲取方式?？仗祜w行器全生命周期內(nèi)，空間機構(gòu)類部件和有效載荷的狀態(tài)較多，質(zhì)量特性設(shè)計時，在確定典型狀態(tài)后，還需對各典型狀態(tài)下固定部分、變狀態(tài)部分和損耗部分進行整合，確定典型狀態(tài)計算的最小組成單元。在典型狀態(tài)質(zhì)量特性計算時，需結(jié)合組成部分狀態(tài)的變化，對質(zhì)量特性進行計算。

4)確定偏差范圍

在質(zhì)量特性設(shè)計的典型狀態(tài)確定后，接下來要確定的就是各狀態(tài)對應(yīng)的偏差范圍。質(zhì)量特性設(shè)計時需考慮各種偏差，如因生產(chǎn)制造引起的干重偏差、推進劑加注引起的偏差、儀器電纜安裝相對于總體布局引起的偏差、部組件或零件及全飛行器的質(zhì)量特性測量偏差、有效載荷狀態(tài)變化引起的偏差等；同時，不同的設(shè)計階段，質(zhì)量特性統(tǒng)計數(shù)據(jù)的來源及準確度也不一樣，因此，在開展空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計時，在不同的設(shè)計階段，通過對質(zhì)量特性數(shù)據(jù)來源的區(qū)分，及有可能給出不同的偏差范圍。

5)確定表現(xiàn)形式

在空天飛行器全任務(wù)剖面內(nèi)典型狀態(tài)及質(zhì)量特性偏差確定后，還需綜合考慮各系統(tǒng)設(shè)計難度及約束條件，確定質(zhì)量特性提供各系統(tǒng)的表現(xiàn)形式?？仗祜w行器總體設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，導航、制導與控制(GNC)系統(tǒng)對飛行器質(zhì)量特性及偏差的使用最為嚴格。為降低GNC系統(tǒng)控制器穩(wěn)定性和強魯棒性的設(shè)計難度，設(shè)計質(zhì)量特性時，采用質(zhì)量特性標稱值變化范圍+質(zhì)量特性偏差的形式。空天飛行器作為一個通用平臺，需具備攜帶各類有效載荷入軌開展任務(wù)的能力，飛行器質(zhì)量特性應(yīng)具有較大的變化范圍。GNC系統(tǒng)常在質(zhì)量特性標稱值范圍內(nèi)設(shè)計多個控制器，系統(tǒng)設(shè)計、仿真及試驗驗證時，除針對質(zhì)量特性變化范圍內(nèi)的確定值開展偏差分析驗證各控制器控制性能外，還需對多控制器間的平滑性進行驗證。

(1)質(zhì)量特性標稱值設(shè)計。以全任務(wù)剖面7個階段的典型狀態(tài)為基線，對各典型狀態(tài)下的組成及動態(tài)變化進行詳細梳理，將質(zhì)量特性組成分為三大類：固定部分、變狀態(tài)部分和損耗部分。固定部分定義為不隨飛行器各狀態(tài)變化而變化的部分，如飛行器主結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性、儀器設(shè)備質(zhì)量特性等。變狀態(tài)部分隨著飛行器狀態(tài)的變化而變化，但此部分質(zhì)量不會發(fā)生變化，如空間機構(gòu)的運動過程、著陸架的收起及放下等。損耗部分的質(zhì)量特性會隨著狀態(tài)的變化而發(fā)生損耗、甚至消失，如推進劑的質(zhì)量特性、有效載荷在軌釋放后帶來的質(zhì)量特性變化等。作為通用平臺，不同飛行狀態(tài)，有效載荷狀態(tài)及儀器設(shè)備總體布局不一樣，飛行器質(zhì)量特性變化范圍較大；同時，不同設(shè)計階段，空天飛行器設(shè)計的詳細程度不一樣，數(shù)據(jù)來源也不一樣，最終數(shù)據(jù)的精確度也不一樣。質(zhì)量特性設(shè)計時，按照一定的設(shè)計規(guī)則，對三部分質(zhì)量特性標稱值變化范圍進行分析與整合，從而確定質(zhì)量特性標稱值變化范圍。

(2)質(zhì)量特性偏差設(shè)計。飛行器質(zhì)量特性設(shè)計時，除考慮飛行器質(zhì)量特性標稱值及變化范圍外，還需考慮設(shè)計偏差、測量偏差和飛行期間質(zhì)量特性微小變化造成的偏差等。設(shè)計偏差主要包括不同設(shè)計階段數(shù)據(jù)來源的差異引起的偏差、三維數(shù)模簡化造成的偏差、質(zhì)量特性數(shù)據(jù)合成過程中引起的偏差、質(zhì)量特性配平質(zhì)量帶來的偏差、質(zhì)量特性控制預計偏差等。測量偏差主要包括質(zhì)量特性測量精度、狀態(tài)不覆蓋引起的偏差等。質(zhì)量特性測量精度主要取決于測量設(shè)備和測量方法的精度與數(shù)據(jù)處理偏差。飛行期間質(zhì)量特性微小變化引起的偏差重點考慮多孔隙材料揮發(fā)、水氣回收量、真空放氣等因素引起的質(zhì)量變化。

3 質(zhì)量特性管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

3.1 質(zhì)量特性管理系統(tǒng)方案

相比傳統(tǒng)航天器，空天飛行器質(zhì)量特性的計算及技術(shù)狀態(tài)管理更為復雜。隨著先進數(shù)字化技術(shù)和三維數(shù)字樣機技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用[12-14]，空天飛行器質(zhì)量特性控制變得相對容易，且易于實現(xiàn)，可有效解決傳統(tǒng)設(shè)計模式全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一管理，設(shè)計過程中部組件、單機設(shè)備和全飛行器質(zhì)量特性無法精確控制和評估等難題，降低統(tǒng)計工作量、減少重復性勞動，提高質(zhì)量特性原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作的準確性和時效性。針對空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計特點，基于CATIA模塊數(shù)字化設(shè)計軟件環(huán)境，完成了飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)開發(fā)，并通過了工程驗證，相比于傳統(tǒng)質(zhì)量特性的計算及管理方法，該系統(tǒng)計算速度更快、數(shù)據(jù)更為準確，實現(xiàn)了飛行器質(zhì)量特性全生命周期的動態(tài)可控、可見和可追溯。

飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

從圖2中可以看出，飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)管理、分析與評估子系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊均圍繞飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫展開，質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫不單獨作為功能模塊，各功能模塊分別依照其業(yè)務(wù)需求對飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作交換數(shù)據(jù)。質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)的核心，只有基于各零部件、部組件、分系統(tǒng)的質(zhì)量特性才能建立全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫。此外，管理系統(tǒng)還需具備質(zhì)量特性數(shù)據(jù)雙向自動存/取、從外部系統(tǒng)輸入質(zhì)量特性數(shù)據(jù)和向外部輸出質(zhì)量特性數(shù)據(jù)等功能，以滿足數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新計算、外系統(tǒng)提交質(zhì)量特性表單、各專業(yè)自動提取不同狀態(tài)質(zhì)量特性參數(shù)等需求。飛行器質(zhì)量分布計算子系統(tǒng)通過對CATIA模型的前處理、網(wǎng)格劃分和質(zhì)量塊生成，完成飛行器及其主要部件的質(zhì)量分布計算。

3.2 質(zhì)量特性管理系統(tǒng)典型應(yīng)用

某空天飛行器項目研制過程中，基于飛行器質(zhì)量特性管理系統(tǒng)，對不同研制階段各零部件、部組件、子系統(tǒng)、分系統(tǒng)及全飛行器質(zhì)量特性變化歷程進行了全程記錄，形成了多個版本的質(zhì)量特性狀態(tài)，建立了質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫，不僅實現(xiàn)了全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的全過程動態(tài)可控、可見和可追溯，而且降低了設(shè)計人員重復性工作量，幾十GB三維數(shù)模設(shè)計狀態(tài)的全飛行器質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫建立與更新的設(shè)計效率提高了50%左右，并且保證了數(shù)據(jù)的準確性。某部組件質(zhì)量變化歷程如圖3所示。

4 結(jié)束語

空天飛行器作為一類不同于衛(wèi)星、飛船和運載火箭的航天器，其質(zhì)量特性設(shè)計面臨諸多難點和挑戰(zhàn)，本文從工程角度出發(fā)，提出了質(zhì)量特性設(shè)計“五確定”方法+基于全飛行器數(shù)字樣機的質(zhì)量特性管理系統(tǒng)組合方案，主要結(jié)論如下：

(1)質(zhì)量特性“五確定”設(shè)計方法解決了質(zhì)量特性設(shè)計面臨的“全程控制精確化”和“設(shè)計過程全程化”難題，實現(xiàn)了飛行器全任務(wù)剖面各階段各典型狀態(tài)的質(zhì)量特性優(yōu)化設(shè)計。

(2)基于數(shù)字樣機開發(fā)的質(zhì)量特性管理系統(tǒng)解決了全飛行器全壽命周期內(nèi)質(zhì)量特性設(shè)計所面臨的數(shù)據(jù)來源多樣化、統(tǒng)計數(shù)據(jù)海量化和數(shù)據(jù)分析動態(tài)化的難題，實現(xiàn)了飛行器質(zhì)量特性全生命周期的動態(tài)可控、可見和可追溯。

(3)空天飛行器質(zhì)量特性設(shè)計方法及管理系統(tǒng)的相關(guān)成果，可為其他飛行器質(zhì)量特性設(shè)計提供參考。