盛瑞卿，陳春亮，邢卓異，白崇延

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引 言

隨著空間探測(cè)任務(wù)的多樣化和復(fù)雜化，利用單個(gè)航天器實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多功能的空間探測(cè)任務(wù)已成為航天技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，尤其在載人航天和深空探測(cè)任務(wù)中，許多航天器需要執(zhí)行在軌分離任務(wù)的同時(shí)還要求分離后多個(gè)艙段能夠正常運(yùn)行。如一個(gè)艙段繼續(xù)在軌飛行，執(zhí)行遙感或其它科學(xué)探測(cè)任務(wù)，另一艙段則進(jìn)入大氣或動(dòng)力下降，完成著陸或巡視探測(cè)任務(wù)。

本文從航天器在軌分離時(shí)序設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，重點(diǎn)考慮航天器在軌分離的可靠和安全。首先，要保證分離邏輯的可靠，從分離時(shí)序的角度出發(fā)即要明確分離后需要完成的任務(wù)，分析完成相應(yīng)任務(wù)所需要工作的設(shè)備。確認(rèn)完成后，保證可靠要解決的問題就是確保對(duì)應(yīng)設(shè)備能夠準(zhǔn)確可靠地獲取分離所觸發(fā)的信號(hào)，由此引申出分離信號(hào)的可靠配置以及分離信號(hào)的可靠邏輯判斷。

其次，為保證安全分離，避免兩艙段在分離后啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制時(shí)發(fā)生碰撞，就需要設(shè)置合理的安全區(qū)域，確保在該安全區(qū)域中兩艙段均不會(huì)進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，以保證分離的安全。由于兩艙段的分離速度取決于航天器所選用的彈簧分離裝置特性，當(dāng)彈簧分離裝置相關(guān)指標(biāo)明確后，也就確定了兩艙段的分離速度。因此，分離安全中要求確定安全區(qū)域的問題也就可以轉(zhuǎn)化為求解分離后兩艙段停止姿態(tài)機(jī)動(dòng)的時(shí)間，即停控時(shí)間。

本文從上述問題出發(fā)，從分離信號(hào)的選型、典型任務(wù)配置、分離邏輯可靠設(shè)計(jì)、分離安全數(shù)學(xué)建模及其仿真等方面，解決兩艙段分離時(shí)序設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題，確保航天器在軌安全、可靠實(shí)施分離。

1 航天器分離信號(hào)設(shè)計(jì)

1.1 航天器分離信號(hào)觸發(fā)形式

分離信號(hào)是確認(rèn)航天器在軌分離最直接、準(zhǔn)確的手段[1]。目前，航天領(lǐng)域常用的分離信號(hào)包括以下3類：

1）分離電連接器接點(diǎn)短接：在兩艙段間分離電連接器取一對(duì)接點(diǎn)，在連接器一側(cè)短接，插接后形成回路。連接器分離后斷開，可判斷分離狀態(tài)；

2）分離開關(guān)（行程開關(guān)）：以按鈕按壓或釋放的行程（距離）量，控制開關(guān)觸點(diǎn)的通斷或觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電路的轉(zhuǎn)接，保證分離信號(hào)的輸出；

3）分離信號(hào)裝置：通常在艙段分離端面安裝分離開關(guān)受限的情況下，設(shè)計(jì)專用的分類信號(hào)裝置，安裝于艙段分離面的側(cè)方，工作原理與連接器短接相似。

表1給出了幾種分離信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 分離信號(hào)類別優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages with the different separation signal

1.2 典型任務(wù)配置

假定某一在軌航天器通過在特定軌道實(shí)施分離形成艙段1和艙段2，分離后艙段1繼續(xù)在軌探測(cè)、艙段2則再入大氣。分離前由艙段1實(shí)施航天器的在軌姿態(tài)控制，分離完成后由于任務(wù)需要艙段1、艙段2則需分別實(shí)施姿態(tài)控制以完成后續(xù)在軌探測(cè)和再入大氣的飛行任務(wù)。

要完成上述任務(wù)，首先艙段1和艙段2必須要有完成遙控指令接收處理和遙測(cè)參數(shù)采集發(fā)送功能的設(shè)備，用于根據(jù)分離信號(hào)啟動(dòng)器上程控指令的執(zhí)行，如接通當(dāng)前艙段的接地開關(guān)、切換熱控工作模式等，稱之為系統(tǒng)管理單元（System Management Unit，SMU）。其次，艙段1和艙段2必須配置有完成相應(yīng)艙段后續(xù)巡視、再入任務(wù)的制導(dǎo)、導(dǎo)航控制裝置，用于根據(jù)分離信號(hào)啟動(dòng)航天器的姿態(tài)控制，稱之為制導(dǎo)導(dǎo)航控制器（Guidance Navigation Control Controller，GNCC）。即艙段1和艙段2均需配置系統(tǒng)管理單元（SMU）和制導(dǎo)導(dǎo)航控制器（GNCC）以保證后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行[4]。

對(duì)于兩個(gè)艙段，均須真實(shí)反映在軌分離狀態(tài)，因此必須配置機(jī)械分離信號(hào)，如分離開關(guān)或分離信號(hào)裝置。為了確保任務(wù)的可靠性，配置多個(gè)機(jī)械分離信號(hào)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，是最為有效的一種手段。但由于目前航天器受重量限制的約束較為強(qiáng)烈，無(wú)法為每個(gè)艙段配置多個(gè)分離信號(hào)，以下仍從上述假設(shè)的具體任務(wù)出發(fā)，對(duì)兩個(gè)艙段的具體分離信號(hào)配置進(jìn)行分析。

對(duì)于艙段1的飛行設(shè)計(jì)，通常考慮在分離前由地面通知GNCC停止控制，實(shí)施分離操作，等待兩航天器到達(dá)一定安全距離后，由GNCC自主啟動(dòng)姿態(tài)控制。鑒于上述設(shè)計(jì)的考慮如下：

1）若兩艙段正常分離，則艙段1根據(jù)?？貢r(shí)間自主延時(shí)啟動(dòng)后續(xù)控制，對(duì)航天器安全性無(wú)影響；2）若兩艙段未正常分離，為確保航天器在軌安全，需要艙段1能夠自主啟控，建立后續(xù)姿態(tài)，為故障處理預(yù)留時(shí)間。

鑒于上述分析，對(duì)于艙段1的GNCC設(shè)備而言，無(wú)須接收分離信號(hào)；僅需將分離信號(hào)引入SMU設(shè)備，用于地面遙測(cè)判讀監(jiān)視。

對(duì)于艙段2的飛行設(shè)計(jì)，通?？紤]在分離前GNCC始終處于等待狀態(tài)，直至確認(rèn)分離后才允許其自主啟動(dòng)姿態(tài)控制。若艙段1和艙段2未分離，艙段2自主啟控，會(huì)導(dǎo)致在同一時(shí)刻兩個(gè)制導(dǎo)導(dǎo)航設(shè)備同時(shí)控制同一航天器，造成控制系統(tǒng)異常。因此，艙段2的GNCC必須配置分離信號(hào)。且由于艙段2后續(xù)需執(zhí)行再入任務(wù)，其大氣環(huán)境、測(cè)控條件等都會(huì)發(fā)生變化，因此需要SMU根據(jù)分離信號(hào)自主切換至系統(tǒng)相應(yīng)的工作模式上。

鑒于上述分析，對(duì)于艙段2，GNCC和SMU均需引入分離信號(hào)，用于器上狀態(tài)設(shè)置與姿態(tài)控制。

對(duì)于該典型任務(wù)，分離信號(hào)的精簡(jiǎn)配置為艙段1的SMU、艙段2的SMU以及艙段2的GNCC至少需配置一路表征準(zhǔn)確機(jī)械分離的信號(hào)裝置?？紤]分離信號(hào)是觸發(fā)后續(xù)程控的重要條件，為每個(gè)設(shè)備配置兩路表征準(zhǔn)確機(jī)械分離的信號(hào)裝置是有效的冗余方式。但鑒于重量要求的約束，采用電分離信號(hào)短接與機(jī)械分離信號(hào)裝置（分離開關(guān)或分離信號(hào)裝置）相結(jié)合的方式則是兼顧重量與可靠性要求的合理配置。

因此，從可靠的角度出發(fā)，為該典型任務(wù)配置的分離信號(hào)如表2所示。其中，分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置的選擇可依據(jù)艙段框面結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

表2 分離信號(hào)典型任務(wù)配置Table 2 A typical task allocation of the separation signals

2 分離邏輯設(shè)計(jì)

在合理配置完各設(shè)備所須的分離信號(hào)后，則需要針對(duì)多個(gè)分離信號(hào)進(jìn)行合理的邏輯判斷，以最終正確表征分離。以下仍針對(duì)上述典型任務(wù)，給出各設(shè)備對(duì)應(yīng)的分離判斷邏輯。

對(duì)于艙段1中的SMU，共采集2路分離電連接器短接給出的信號(hào)和2路分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置給出的信號(hào)。其中，定義分離電連接器短接產(chǎn)生的信號(hào)為信號(hào)1-①、信號(hào)1-②，分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置給出的信號(hào)為信號(hào)1-③、信號(hào)1-④。艙段1的SMU分離邏輯判斷公式為：

艙段1-SMU分離有效=（信號(hào)1-①|(zhì)|信號(hào)1-②）&（信號(hào)1-③||信號(hào)1-④）

即艙段1的SMU采集到任一電分離連接器產(chǎn)生的分離信號(hào)有效，且采集到任一機(jī)械分離信號(hào)有效時(shí)，才判定兩艙段可靠分離。

對(duì)于艙段2中的兩臺(tái)設(shè)備，其中SMU共采集2路分離電連接器短接給出的信號(hào)和2路分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置給出的信號(hào)，同時(shí)接收艙段2中的GNCC轉(zhuǎn)發(fā)的分離信號(hào)；GNCC共采集2路分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置給出的信號(hào)，同時(shí)接收艙段2中的SMU轉(zhuǎn)發(fā)的分離信號(hào)。即SMU共接收5路分離信號(hào)，GNCC共接收4路分離信號(hào)。具體信號(hào)如表3所示。

表3 艙段2設(shè)備接收分離信號(hào)匯總Table 3 The collection of the received separation signal with the facilityof module 2

其中，SMU接收到的GNCC轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)2-A、GNCC接收到的SMU轉(zhuǎn)發(fā)分離開關(guān)/分離信號(hào)裝置信號(hào)2-B、GNCC接收到的SMU轉(zhuǎn)發(fā)分離電連接器信號(hào)2-C分別定義如下：

信號(hào)2- A =信號(hào)2-⑤&信號(hào)2-⑥

信號(hào)2-B = 信號(hào)2-③&信號(hào)2-④

信號(hào)2-C = 信號(hào)2-①&信號(hào)2-②

即對(duì)于需要轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，必須是采集到的兩路信號(hào)均有效才能轉(zhuǎn)發(fā)，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

由表3可知，艙段2中的SMU和GNCC所接收到的信號(hào)均可劃分為3類，因此，對(duì)于SMU和GNCC的邏輯判斷準(zhǔn)則即為3類信號(hào)中的任2類信號(hào)有效，即判定兩艙段分離。其中，該類別中含有兩路信號(hào)的只要有一路信號(hào)有效即認(rèn)定該類信號(hào)有效。信號(hào)處理定義如下：

信號(hào)2-D = 信號(hào)2-① || 信號(hào)2-②

信號(hào)2-E = 信號(hào)2-③ || 信號(hào)2-④

信號(hào)2-F = 信號(hào)2-⑤ || 信號(hào)2-⑥

則艙段2中的SMU信號(hào)有效即為信號(hào)2-D、信號(hào)2-E、信號(hào)2-A3個(gè)信號(hào)進(jìn)行“三取二”邏輯判斷、GNCC信號(hào)有效即為信號(hào)2-F、信號(hào)2-B、信號(hào)2-C這3個(gè)信號(hào)進(jìn)行“三取二”判斷。

3 分離安全數(shù)學(xué)建模

為保證安全分離，避免兩艙段在分離后啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制時(shí)發(fā)生碰撞，就需要設(shè)置合理的安全區(qū)域，確保在該安全區(qū)域中兩艙段均不會(huì)進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，以保證分離的安全。在兩艙段的分離速度確定的前提下，分離安全的問題中要求確定安全區(qū)域的問題也就可以轉(zhuǎn)化為求解分離后兩艙段停止姿態(tài)機(jī)動(dòng)的時(shí)間，即?？貢r(shí)間。

容易得到

分離后艙段1飛行速度

分離后艙段2飛行速度

由下列公式可以得出艙段1和艙段2分離后的軌道根數(shù)

上述各式中，下標(biāo)k=1、2，分別表示艙段1和艙段2對(duì)應(yīng)的軌道根數(shù)。

艙段1和艙段2單獨(dú)飛行?t后，艙段1位置和艙段2位置可以由下列公式計(jì)算得到

上述各式中，下標(biāo)k=1、2，分別表示艙段1和艙段2單獨(dú)飛行?t后對(duì)應(yīng)的軌道根數(shù)和位置矢量。艙段1和艙段2單獨(dú)飛行?t后，艙段1和艙段2的相對(duì)距離變化

對(duì)于已知的艙段1和艙段2的質(zhì)量、分離速度，可根據(jù)式（1）～（15），計(jì)算得到艙段1和艙段2相對(duì)距離隨時(shí)間的變化曲線。

確保艙段2分離的安全性判據(jù)為：

分別根據(jù)公式（16）和公式（17），可以得到在合理安全距離下兩艙段的單獨(dú)飛行時(shí)間，即保證安全分離的?？貢r(shí)間。

4 仿真分析結(jié)果

設(shè)定某在軌航天器在月地轉(zhuǎn)移軌道上距地高度約為6 000 km處實(shí)施分離，分離速度為0.6 m/s，分離速度方向與飛行速度方向垂直，分離后的兩艙段的相對(duì)質(zhì)量分別為M1=400 kg 、M2=1 200 kg，由式（1）～（15）可以計(jì)算得到兩艙段相對(duì)距離隨時(shí)間變化情況，如圖1所示。

圖1 分離后兩艙段的相對(duì)距離變化（零時(shí)刻為分離時(shí)刻）Fig.1 The relative distance change （the zero time is the separation time）of two modules after separation

據(jù)圖1，分離后3 s兩艙段的相對(duì)距離為1.80 m，大于艙段1最大尺寸包絡(luò)max(L1,W1,H1)=1.5 m的要求，艙段1可以啟控；分離后4 s兩艙段的相對(duì)距離為2.40 m，大于艙段2最大尺寸包絡(luò)max(L2,W2,H2)=2.3 m的要求，艙段2可以啟控。

5 結(jié) 論

本文以飛行時(shí)序設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，從保證分離信號(hào)可靠性的角度提出了一種典型的分離信號(hào)配置與通用的分離信號(hào)觸發(fā)控制邏輯，從分離過程安全性的角度，建立了航天器在軌分離安全性數(shù)學(xué)模型，并開展了仿真分析。

該方法已成功應(yīng)用于某一重大專項(xiàng)在軌飛行任務(wù)，確認(rèn)了方法的可行性和正確性，可以作為后續(xù)航天任務(wù)的參考。