適應低溫火箭發(fā)射的長征五號系列運載火箭測發(fā)控架構(gòu)

王雨萌，孫兆牛，連 盟，田建宇，陳振華

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 文昌航天發(fā)射場指控中心，文昌，571300）

0 引 言

長征五號運載火箭芯級使用液氫液氧低溫燃料發(fā)動機，具有“無毒、無污染、比沖高”等優(yōu)點，但低溫推進劑存在加注后停留時間短、發(fā)射流程不可逆、液氫加注后安全風險高等問題，這就要求火箭有更高的發(fā)射可靠性。作為中國目前運載能力最大的一款火箭，采用垂直組裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)運的“三垂”全新測發(fā)模式，射前-10 h開始液氧加注，-6 h開始液氫燃料加注，為保障人員安全，液氫加注開始測試發(fā)射控制系統(tǒng)（以下簡稱“測發(fā)控系統(tǒng)”）前端技術(shù)人員撤離至后端，測發(fā)控系統(tǒng)進入前端無人值守工作模式。相較于中國傳統(tǒng)運載型號，長征五號測發(fā)控系統(tǒng)射前前端撤離時間最早，設(shè)備加電時間最長。測發(fā)控系統(tǒng)從火箭低溫燃料加注到點火起飛，經(jīng)受最嚴苛的振動力學、熱環(huán)境、鹽霧環(huán)境考驗，所以對其可靠性、安全性都有更高的要求：必須具備有效的遠程控制監(jiān)測能力，遠程故障處理、隔離能力和系統(tǒng)重構(gòu)能力，才能解決-6 h前端無人值守難題，適應大型低溫液體火箭快速、準時地發(fā)射[1]。

1 大型火箭測發(fā)控系統(tǒng)

測試發(fā)射控制系統(tǒng)是對控制系統(tǒng)性能及整體配合性及協(xié)調(diào)性進行綜合測試，對發(fā)射條件檢查和準備，對火箭按命令進行點火發(fā)射的系統(tǒng)。

1.1 國外先進運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)構(gòu)架

宇宙神5系列火箭和阿里安5系列火箭采用“三垂”的測發(fā)模式，德爾塔Ⅳ火箭采用“兩平一垂”測發(fā)模式（水平組裝、水平測試、垂直轉(zhuǎn)運），SpaceX公司研制的獵鷹9火箭采用“三平”測發(fā)模式（水平組裝、水平測試、水平轉(zhuǎn)運）。最早射前-4.5 h加注液氫液氧，開始前端無人值守工作模式。這4款火箭測發(fā)控系統(tǒng)均設(shè)計了自動化試驗與監(jiān)控軟件系統(tǒng)，地面設(shè)備以工業(yè)計算機和工作站為主，操作人員通過PC機向火箭與發(fā)控臺發(fā)送指令，射前采用全自動同步程序技術(shù)，執(zhí)行火箭發(fā)射前全自動測試流程和最后操作[2,3]。

1.2 長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)架構(gòu)

長征五號系列運載火箭采用“三垂”測發(fā)模式，測發(fā)控系統(tǒng)采用前端加電、執(zhí)行設(shè)備+以太網(wǎng)+后端控制、實時監(jiān)控的遠程發(fā)射架構(gòu)。-6 h開始前端無人值守工作模式，-3 h進入射前自動測試流程，整個發(fā)射流程由后端主控計算機的測試軟件控制，向火箭與后端發(fā)控臺發(fā)送控制指令，實行全自動測試流程；后端可實時監(jiān)測各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，判斷箭體和前端設(shè)備的工作情況。

通過與國外部分主流大型運載火箭“三垂”測發(fā)模式，以及遠程控制、全自動測試等測發(fā)控系統(tǒng)架構(gòu)的對比，長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)已達到國際一流技術(shù)水平。

2 長征五號系列火箭高可靠測發(fā)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)包括：前端測發(fā)控設(shè)備、后端測發(fā)控設(shè)備以及測發(fā)控軟件，見圖1，前端設(shè)備接收箭上的狀態(tài)反饋及總線數(shù)據(jù)，發(fā)送至后端實時顯示，測發(fā)軟件執(zhí)行手動及自動測試流程。與傳統(tǒng)運載火箭相比，在活動發(fā)射平臺底部設(shè)置了前端設(shè)備間，空間狹小，前端設(shè)備放置其中，要求測發(fā)控系統(tǒng)有更高的集成化設(shè)計。

圖1 長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)組成Fig.1 The Composition Block Diagram of Test Launch Control System in LM-5

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 遠程控制、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

遠程控制技術(shù)、遠程狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要用于解決長征五號火箭-6 h前端無人值守難題，由后端通過以太網(wǎng)對前端設(shè)備和火箭狀態(tài)進行控制和監(jiān)測。實現(xiàn)遠程控制的關(guān)鍵是PLC發(fā)控系統(tǒng)，采用高容錯變結(jié)構(gòu)熱備冗余設(shè)計，由后端控制臺中熱備冗余的主、備PLC CPU站（運行控制邏輯運算）和前后端各兩套并聯(lián)工作的PLC I/O站（接收按鈕或自動發(fā)控指令，輸出邏輯運算結(jié)果，接收狀態(tài)信號）組成，如圖2所示，主控計算機甲機工作，乙機為備機，虛擬顯示計算機并聯(lián)工作；PLC發(fā)控系統(tǒng)通信協(xié)議如圖3所示；系統(tǒng)輸入、反饋信號流程圖見圖4。

圖2 PLC發(fā)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.2 The Composition Block Diagram of PLC Launch and Control System

圖3 熱備冗余PLC發(fā)控系統(tǒng)通信協(xié)議Fig.3 Hot-standby Redundancy Communication Protocol Diagram of PLC Launch and Control System

圖4 PLC發(fā)控系統(tǒng)輸入反饋信號流程Fig.4 Input Signal and Feedback Signal of the Flow Chart that PLC Launch and Control System

熱備冗余PLC發(fā)控系統(tǒng)采用手動控制與自動控制并聯(lián)的方式實現(xiàn)控制通道的冗余，保障控制指令可靠發(fā)出，如圖5所示。系統(tǒng)測試控制時主要使用自動流程控制，在點火等關(guān)鍵操作上使用手動控制[4～6]。

圖5 PLC發(fā)控程序設(shè)計示意Fig.5 Schematic Diagram of the PLC Launch and Control System Design

后端發(fā)控臺、虛擬顯示計算機等實時監(jiān)測前端設(shè)備以及箭上狀態(tài)反饋、總線信號等重要信息，并采用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)自動判讀技術(shù)，自動濾除偶發(fā)干擾信號，通過后端檢測計算機軟件對箭地模擬量進行實時判讀，超差報錯，提高了測試過程中對系統(tǒng)實時監(jiān)測的工作效率，為故障診斷和處理爭取時間，向智慧型火箭的系統(tǒng)自動故障診斷作出了第1步推進。

在以太網(wǎng)故障，測發(fā)控系統(tǒng)前后端通信斷開時，可通過前后端應急設(shè)備完成箭機開算、點火等重要信號的發(fā)送。應急設(shè)備還為測量系統(tǒng)、動力測控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)提供了前后端重要信號的應急通路。

遠程控制還包括地面電源遠程調(diào)壓技術(shù)，遠程中斷前端設(shè)備供電、設(shè)備切換技術(shù)，中頻電源遠程復位技術(shù)。能夠完全適應長征五號系列運載火箭發(fā)射任務-6 h前端無人值守的嚴苛工作狀態(tài)。

2.2.2 高可靠多余度測發(fā)控技術(shù)

由于長征五號系列運載火箭用于執(zhí)行國家重大發(fā)射任務，因此對全箭包括測發(fā)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計要求極高。測發(fā)控系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的設(shè)備采用BIT技術(shù)（內(nèi)部檢測并隔離故障的能力），具備上電自檢的功能，保證設(shè)備工作正常，方可參加系統(tǒng)測試及火箭發(fā)射任務。

為消除影響成敗的單點故障，測發(fā)控系統(tǒng)進行了包括元器件級、模件級、單機級冗余設(shè)計，大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。測發(fā)控系統(tǒng)可靠性框圖如圖6所示。

圖6 測發(fā)控系統(tǒng)可靠性框圖Fig.6 Reliability Block Diagram of Test Launch Control System

可靠性計算公式如下：

式中λs為產(chǎn)品總的失效率；λi為單個元件的失效率；t為任務時間；R為任務可靠度，推導出各單機任務可靠度。計算系統(tǒng)總失效率sλ：將測發(fā)控系統(tǒng)各單機的產(chǎn)品失效率λi代入上述公式，可推導出系統(tǒng)的任務可靠度預計值R=0.9965，高于中國傳統(tǒng)火箭（中國各火箭測發(fā)控系統(tǒng)任務可靠度要求值見表1）。

表1 中國各火箭測發(fā)控系統(tǒng)任務可靠度要求值Tab.1 Reliability Requirements of Test Launch Control System in Various Domestic Launch Vehicle

測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時的系統(tǒng)重構(gòu)按不同的冗余設(shè)計模式分為以下幾種。

a）元器件故障處理。

點火、緊急關(guān)機等重要信號通路和應急控制通路均采用三取二冗余設(shè)計（見圖7），任一元器件出現(xiàn)故障（圖7中假設(shè)K1故障），都不影響發(fā)射流程的繼續(xù)，最大程度地保證了關(guān)鍵信號在地面設(shè)備異常狀態(tài)下正常輸出的能力。

圖7 三取二冗余設(shè)計Fig.7 Two Out of Three Redundancy Design of Important Signal Path

b）模塊故障重構(gòu)。

PLC發(fā)控系統(tǒng)屬模塊級冗余設(shè)計：兩套熱備冗余的PLC CPU站中，主CPU默認為激活狀態(tài)，備CPU與激活狀態(tài)CPU實時數(shù)據(jù)同步，備CPU可在主CPU故障時實現(xiàn)無縫切換。前后端PLC I/O組合任一發(fā)生故障，后端發(fā)控臺可遠程斷前后端一套故障PLC I/O組合電源（前后端兩套任意組合），對其作出故障隔離處理，完成系統(tǒng)重構(gòu)，如圖8所示，僅使用前后端一套PLC I/O組合進行后續(xù)測試。

圖8 PLC發(fā)控系統(tǒng)故障后系統(tǒng)重構(gòu)Fig.8 System Reconfiguration after PLC Launch and Control System Broke Down

c）單機故障重構(gòu)。

單機冗余設(shè)計分為雙機并聯(lián)冗余和主副機熱備冗余，在其中1臺發(fā)生故障時，可采用后端遠程控制前后端設(shè)備主副機無縫切換、隔離故障設(shè)備、系統(tǒng)重構(gòu)的故障處理方式使測試流程繼續(xù)。測發(fā)控系統(tǒng)典型單機冗余設(shè)計箭地計算機故障重構(gòu)見圖9，地面電源和測試系統(tǒng)故障重構(gòu)見圖10。

圖9 箭地計算機故障后重構(gòu)流程Fig.9 Flow Chart of Reconfiguration after the Ground Test Computer Broke Down

圖10 測試系統(tǒng)、地面電源故障重構(gòu)流程Fig.10 Flow of Reconfiguration in Test System and Ground Power Broke Down

長征五號系列運載火箭在某次發(fā)射場測試任務中發(fā)生前端地面直流電源故障，主副機切換事件。切換過程中及切換后，測發(fā)控系統(tǒng)和箭上控制系統(tǒng)狀態(tài)及各項參數(shù)正常，電源切換過程中電壓曲線如圖11所示。電源副機電壓較主機低1 V，電源主副機切換前后輸出電壓下降1 V，但總體平穩(wěn)，沒有突然升高或降低，保持在單機設(shè)備工作電壓范圍之內(nèi)。

圖11 地面電源切換時的電壓波形Fig.11 Voltage Waveform when Switching of Ground Power

因此得出結(jié)論：在地面直流電源主機發(fā)生故障時，備機可無縫切換并保持設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定。本次故障處理以實踐驗證了長征五號火箭高可靠多余度測發(fā)控系統(tǒng)的故障設(shè)備隔離、系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)的有效性。

在真實發(fā)射時，測發(fā)控系統(tǒng)在發(fā)射場均配備了元器件、模塊及整機備件，并做了詳細的故障預案：在設(shè)備故障，能夠進行更換處理的時機，可由操作人員在現(xiàn)場對故障件進行更換。

3 結(jié)束語

長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備以高可靠、強適應能力的特點，一套地面設(shè)備能夠兼顧探月三期、火星探測、載人空間站的測試發(fā)控需求，即適應長征五號基本型及B型火箭承擔的多種任務需求，并已經(jīng)過多次國家重大發(fā)射任務實戰(zhàn)驗證，具有較強的創(chuàng)新性、實用性和通用性，顯著提高了工作效率和經(jīng)濟效益，達到了國內(nèi)外先進水平，且部分單機與其他運載型號實現(xiàn)了通用化設(shè)計。

其搭建的智能化平臺對于其它運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)的更新改造等普遍適用，具有重大意義：采取大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)建集成一體化智慧火箭平臺，實現(xiàn)測發(fā)控系統(tǒng)全部測試數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)在線分析判讀，實現(xiàn)測發(fā)控系統(tǒng)智能故障診斷，故障自動處理及系統(tǒng)重構(gòu)。