邊飛邊學(xué)習(xí)我國(guó)智能化運(yùn)載火箭在路上

付毅飛

對(duì)于會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭的發(fā)展，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)制定了“兩步走”計(jì)劃：在2020年具備強(qiáng)適應(yīng)能力，意思是讓火箭在一些故障情況下具有更強(qiáng)適應(yīng)能力，還可以繼續(xù)飛行;力爭(zhēng)到2025年具備會(huì)學(xué)習(xí)能力，即讓我國(guó)在役的主要運(yùn)載火箭初步具備學(xué)習(xí)能力。

在人類航天史上，航天發(fā)射任務(wù)具有高風(fēng)險(xiǎn)性。提高運(yùn)載火箭的安全性和可靠性，一直是航天科技工作者不斷追求的目標(biāo)。對(duì)此，火箭飛行控制系統(tǒng)起到至關(guān)重要作用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1990年至2000年間，歐、美、日、俄運(yùn)載火箭發(fā)射失敗案例中，約有40%的失利有可能利用先進(jìn)導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)補(bǔ)救挽回，從而繼續(xù)完成任務(wù)或者降級(jí)完成任務(wù)。近幾年，獵鷹9號(hào)、德?tīng)査?運(yùn)載火箭均出現(xiàn)過(guò)飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降的故障，但通過(guò)實(shí)施不同程度的補(bǔ)救措施，最終沒(méi)有影響主要任務(wù)。

筆者從北京航天自動(dòng)控制研究所了解到，我國(guó)正在研制會(huì)學(xué)習(xí)的運(yùn)載火箭。該所副所長(zhǎng)禹春梅介紹，該技術(shù)是將智能技術(shù)引入導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制等各個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)，使運(yùn)載火箭變得更加聰明、自主，對(duì)復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)狀況具備更強(qiáng)的主動(dòng)適應(yīng)能力，從而能在更大程度上確保完成任務(wù)。

1、邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)感知周邊的環(huán)境，積累數(shù)據(jù)自我改進(jìn)

對(duì)于火箭而言，飛行控制系統(tǒng)相當(dāng)于它的大腦。按照北京航天自動(dòng)控制研究所科研團(tuán)隊(duì)的研究成果，這部“大腦”學(xué)習(xí)起來(lái)具備兩大特征。

禹春梅介紹，傳統(tǒng)火箭的飛行策略及軌道是提前設(shè)計(jì)好的，如果在飛行過(guò)程中遭遇事先沒(méi)有預(yù)料到的復(fù)雜空間環(huán)境，火箭飛行軌跡無(wú)法在線調(diào)整。另外，如果火箭上出現(xiàn)如動(dòng)力系統(tǒng)故障等突發(fā)情況，又不能及時(shí)采取措施，很可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗。

但會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭則具有邊飛邊學(xué)特征。其控制系統(tǒng)能充分利用箭載多源信息，使火箭實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)與環(huán)境在線辨識(shí)、運(yùn)載及控制能力在線評(píng)估、軌跡在線規(guī)劃、控制在線重構(gòu)、目標(biāo)在線變更等功能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它可以實(shí)時(shí)感知自己周邊的環(huán)境，如果有威脅就自主改變軌跡。同時(shí)，火箭會(huì)邊飛邊開(kāi)展自我健康診斷，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，它會(huì)評(píng)估自己的能力，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施，或是對(duì)任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整?！袄缁鸺龣z測(cè)到二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障了，它可以提前實(shí)施二三級(jí)分離，啟動(dòng)三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)飛行。即使無(wú)法按預(yù)定計(jì)劃完成任務(wù)，也可以在重新構(gòu)建控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上規(guī)劃新的軌跡，飛向安全軌道或降級(jí)軌道，盡可能減少損失?！庇泶好氛f(shuō)。

會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭的另一特征是終身學(xué)習(xí)。其控制系統(tǒng)能夠充分利用全生命周期中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)、智能分析技術(shù)等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)模型智能修正、模型智能建立、方案與參數(shù)智能優(yōu)化等功能，持續(xù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和改進(jìn)。

現(xiàn)役運(yùn)載火箭中，絕大部分都是一次性使用，每一發(fā)火箭在飛行過(guò)程中，可以將自己的“學(xué)習(xí)內(nèi)容”傳回地面，供后來(lái)者借鑒，實(shí)現(xiàn)火箭之間的傳遞性學(xué)習(xí)，讓后續(xù)火箭越來(lái)越“聰明”，“經(jīng)驗(yàn)”越來(lái)越豐富。

筆者了解到，上述兩大學(xué)習(xí)特征相輔相成、相互促進(jìn)。邊飛邊學(xué)積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，支撐著終身學(xué)習(xí);終身學(xué)習(xí)的訓(xùn)練與優(yōu)化、算法自進(jìn)化，又能促進(jìn)邊飛邊學(xué)更智能。

2、火箭學(xué)習(xí)有門檻控制系統(tǒng)要一次設(shè)計(jì)，終身適用

會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭的前景美好，但要實(shí)現(xiàn)會(huì)學(xué)習(xí)，火箭得先具備足夠的能力。

“首先是對(duì)控制系統(tǒng)算力提出更高要求，需要其具備分布式異構(gòu)跨核高速信息交換以及多元異構(gòu)內(nèi)存共享調(diào)度管理的能力?！庇泶好氛f(shuō)。簡(jiǎn)言之，就是火箭得擁有足夠聰明的大腦。

運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)安裝難免存在誤差，彈性振動(dòng)、液體晃動(dòng)、未知環(huán)境擾動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而要求火箭對(duì)自身健康狀況及飛行狀態(tài)具有實(shí)時(shí)感知能力。例如火箭動(dòng)力系統(tǒng)典型非致命故障時(shí)有發(fā)生，需要針對(duì)上升段主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，高空飛行段姿控噴管常開(kāi)、常閉、極性等問(wèn)題，具備快速準(zhǔn)確辨識(shí)能力。

基于在線辨識(shí)、感知和自我評(píng)估結(jié)果，火箭要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在線變更、軌跡在線規(guī)劃，控制在線重構(gòu)等功能，就要具備對(duì)環(huán)境突變、箭體自身結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定、典型動(dòng)力系統(tǒng)故障、任務(wù)變更等需求的強(qiáng)適應(yīng)能力，確保復(fù)雜飛行條件和故障情況下飛行穩(wěn)定，并能夠進(jìn)入半長(zhǎng)軸最大橢圓軌道或者安全停泊軌道。

迄今為止，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已實(shí)施349次飛行任務(wù)，歷次任務(wù)積累了大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌和規(guī)范管理后，就成為火箭的知識(shí)庫(kù)。會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭從中提取信息、獲取經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，并與智能控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)能力，從而不斷“成長(zhǎng)”。

此外，火箭要做到終身學(xué)習(xí)，對(duì)控制系統(tǒng)還提出了“一次設(shè)計(jì)，終身適用”要求，需要其具備一次設(shè)計(jì)便能覆蓋整個(gè)型號(hào)生命周期的能力。

對(duì)于會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭而言，智能控制系統(tǒng)架構(gòu)是基礎(chǔ)，基于全生命周期數(shù)據(jù)的智能控制算法是核心，基于智能算法的強(qiáng)計(jì)算能力是載體。

3、我國(guó)已取得一定進(jìn)展力爭(zhēng)2025年具備會(huì)學(xué)習(xí)能力

在會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭相關(guān)技術(shù)探索和應(yīng)用方面，我國(guó)已取得一定進(jìn)展。筆者了解到，目前北京航天自動(dòng)控制研究所團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始著手對(duì)我國(guó)在役運(yùn)載火箭進(jìn)行改進(jìn)，向它們普及學(xué)習(xí)能力。

2020年7月9日和10月12日，我國(guó)先后從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭。這2次任務(wù)除了將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，北京航天自動(dòng)控制研究所攻關(guān)團(tuán)隊(duì)還在箭上搭載了典型動(dòng)力故障辨識(shí)與制導(dǎo)控制重構(gòu)技術(shù)，圓滿完成了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

“可以說(shuō)，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭已具備了一定的智能化特征?！庇泶好繁硎?。目前對(duì)長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭的改進(jìn)，僅對(duì)算法進(jìn)行了修改，而種種感知仍是通過(guò)原有器件。今后如果要改進(jìn)得更徹底，還需在箭上增加探測(cè)手段。

對(duì)于會(huì)學(xué)習(xí)運(yùn)載火箭的發(fā)展，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)制定了“兩步走”計(jì)劃：在2020年具備強(qiáng)適應(yīng)能力，意思是讓火箭在一些故障情況下具有更強(qiáng)適應(yīng)能力，還可以繼續(xù)飛行;力爭(zhēng)到2025年具備會(huì)學(xué)習(xí)能力，即讓我國(guó)在役的主要運(yùn)載火箭初步具備學(xué)習(xí)能力。此外，會(huì)學(xué)習(xí)的理念，也將融入到我國(guó)在研運(yùn)載火箭的研制中。