中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)發(fā)展展望

吳燕生

(中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)

0 引 言

當(dāng)前,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn),航天系統(tǒng)工程是開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng),具有系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集、風(fēng)險(xiǎn)性大、研制周期長(zhǎng)等特點(diǎn),使之成為最具挑戰(zhàn)性和廣泛帶動(dòng)性的高科技領(lǐng)域之一,在全球發(fā)展中的戰(zhàn)略地位愈發(fā)突出,成為國(guó)家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。進(jìn)入新時(shí)代以來(lái),載人航天、月球探測(cè)、火星探測(cè)、北斗導(dǎo)航等航天重大工程連戰(zhàn)連捷,持續(xù)推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè),以長(zhǎng)征系列火箭為代表的航天運(yùn)輸系統(tǒng)是支撐上述工程成功實(shí)施的基礎(chǔ)。

隨著世界主要航天大國(guó)和主體加速太空經(jīng)濟(jì)與軍事發(fā)展,進(jìn)出空間需求日益提升[1-3],2021年全球航天總發(fā)射次數(shù)達(dá)到146次,2022年持續(xù)增長(zhǎng)達(dá)到186次,均超出1967年“冷戰(zhàn)”期間創(chuàng)下的139次的發(fā)射記錄。為了滿足日益增長(zhǎng)的發(fā)射需求,世界航天運(yùn)輸領(lǐng)域逐漸由“解決如何高可靠進(jìn)入空間”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鉀Q如何高效、可靠、低成本進(jìn)出空間”,持續(xù)推動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)向更優(yōu)性能、更低成本、更高質(zhì)量方向加速發(fā)展。其中,高質(zhì)量是支撐航天運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)的前提[4]。

為實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展[5],在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面,通過(guò)“總體裕度-系統(tǒng)冗余-單機(jī)強(qiáng)化”三層級(jí)可靠性設(shè)計(jì)方法提升可靠性,構(gòu)筑運(yùn)載火箭“良好基因”;在產(chǎn)品質(zhì)量管控方面,堅(jiān)持“源頭抓起、過(guò)程控制、零缺陷”的質(zhì)量管理理念,創(chuàng)新質(zhì)量管理方法,從精細(xì)到精益,持續(xù)發(fā)展航天質(zhì)量管理體系,使用“技術(shù)、產(chǎn)品、操作、管理”四維度風(fēng)險(xiǎn)分析方法系統(tǒng)全面地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí),從“測(cè)試、驗(yàn)收、檢驗(yàn)、工藝、人員”五個(gè)環(huán)節(jié)確保產(chǎn)品的過(guò)程質(zhì)量控制。

盡管如此,要想在接近產(chǎn)品本質(zhì)可靠性極限的情況下提升火箭飛行可靠性,需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新本質(zhì)提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的可靠性,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)基于偏差包絡(luò)的總體設(shè)計(jì)方法與理念,突破并應(yīng)用智能飛行技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)與航天運(yùn)輸領(lǐng)域的深度融合,支撐航天運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展。本文梳理總結(jié)了智能飛行發(fā)展歷程和趨勢(shì),制定了適合中國(guó)的航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)發(fā)展架構(gòu),以指導(dǎo)后續(xù)技術(shù)研究與發(fā)展。

1 航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)定義

綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)智慧火箭的研究[6]和火箭專業(yè)技術(shù)劃分,總結(jié)定義航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)為:航天運(yùn)載器自身在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)機(jī)體內(nèi)部狀態(tài)和外部信息,基于實(shí)時(shí)能力邊界實(shí)現(xiàn)自主評(píng)估與決策,利用本體和外部資源開(kāi)展執(zhí)行與處置,適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)剖面,并持續(xù)學(xué)習(xí)與進(jìn)化的技術(shù)。該技術(shù)包括智能感知與監(jiān)測(cè)、智能評(píng)估與決策、智能執(zhí)行與處置三個(gè)核心功能。

1.1 智能感知與監(jiān)測(cè)

感知是獲取知識(shí)的前提,豐富且可靠的感知是評(píng)估決策與執(zhí)行處置的基礎(chǔ)。智能感知與監(jiān)測(cè)是通過(guò)合理布置智能傳感設(shè)備,依靠智能感知獲取飛行器動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、器件、動(dòng)力學(xué)等內(nèi)部狀態(tài)和外部氣流、引力、空間碎片障礙物等多元信息,依靠智能算法對(duì)信息進(jìn)行有效提取與處理,實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)。

1.2 智能評(píng)估與決策

智能評(píng)估與決策是基于系統(tǒng)感知與監(jiān)測(cè)結(jié)果,通過(guò)特性分析、風(fēng)險(xiǎn)以及剩余能力評(píng)估實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前飛行器狀態(tài)的精準(zhǔn)智能評(píng)估,進(jìn)而考慮復(fù)合約實(shí)現(xiàn)任務(wù)層級(jí)的重新規(guī)劃與決策,是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)火箭從“成敗”型向“成敗+性能”型升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3 智能執(zhí)行與處置

智能執(zhí)行與處置是指飛行器在接收評(píng)估與決策輸出指令后,利用本體算法軟件和物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)與外部在軌服務(wù)飛行器等資源開(kāi)展執(zhí)行與處置,以改變飛行器狀態(tài),完成飛行任務(wù),是實(shí)現(xiàn)智能飛行的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。

2 智能飛行技術(shù)發(fā)展歷程與趨勢(shì)

2.1 發(fā)展歷程與趨勢(shì)

智能飛行技術(shù)與運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展相輔相成,結(jié)合運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢(shì)[7],可將智能飛行技術(shù)發(fā)展分為四個(gè)階段,見(jiàn)圖1。

圖1 智能飛行技術(shù)發(fā)展四個(gè)階段Fig.1 Four stages of intelligent flight technology development

(1)自動(dòng)控制飛行階段

該階段運(yùn)載火箭具備基本的感知能力,僅可依靠誤差反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,并被動(dòng)適應(yīng)各種飛行工況,尚不具備對(duì)關(guān)鍵單機(jī)、系統(tǒng)的在線故障檢測(cè)能力。核心特征為基本感知、閉環(huán)控制。

國(guó)外典型代表為早期的土星IB火箭,如圖2所示,其一級(jí)布局8臺(tái)H-1發(fā)動(dòng)機(jī),但火箭能力實(shí)質(zhì)上是按照7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí),依靠能力裕度被動(dòng)適應(yīng)動(dòng)力故障。該階段對(duì)應(yīng)中國(guó)運(yùn)載火箭研制發(fā)展初期,型號(hào)全箭可靠性依賴于系統(tǒng)、單機(jī)產(chǎn)品可靠性保證;基于各項(xiàng)設(shè)計(jì)偏差,通過(guò)線性疊加、均方根疊加等方式形成極限設(shè)計(jì)包絡(luò),當(dāng)故障影響在極限包絡(luò)范圍內(nèi),火箭可有效適應(yīng);反之,則依靠系統(tǒng)裕度被動(dòng)適應(yīng)?；鸺w可靠性受制于產(chǎn)品可靠性和偏差包絡(luò)。典型火箭代表包括長(zhǎng)征二號(hào)丙、長(zhǎng)征三號(hào)甲、長(zhǎng)征二號(hào)E等火箭,該時(shí)代研制的火箭滿足了中國(guó)航天活動(dòng)從無(wú)到有歷史階段。

圖2 土星IB火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)布局[8]Fig.2 Layout of the engines on the first stage of the Saturn IB[8]

(2)有限智能飛行階段

該階段運(yùn)載火箭感知能力擴(kuò)展,具備了典型故障檢測(cè)能力,能夠通過(guò)離線設(shè)計(jì)的程序策略開(kāi)展處置,有效提升了火箭針對(duì)典型故障的處置適應(yīng)能力。該階段僅可檢測(cè)是否有故障,無(wú)法診斷故障類型和程度,且尚不具備全箭跨系統(tǒng)重構(gòu)能力。核心特征為故障檢測(cè)、程序處置。

國(guó)外典型代表為美國(guó)德?tīng)査?運(yùn)載火箭,在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可依賴控制系統(tǒng)完成處置。2012年德?tīng)査?火箭發(fā)射第三顆GPS-2F衛(wèi)星過(guò)程中,末級(jí)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障出現(xiàn)推力下降,控制系統(tǒng)通過(guò)慣性器件敏感到過(guò)載變化,依靠迭代制導(dǎo)更新飛行軌跡,使火箭充分利用剩余燃料完成預(yù)定任務(wù)。

中國(guó)成功研制的第一型載人運(yùn)載火箭長(zhǎng)征二號(hào)F,標(biāo)志著中國(guó)運(yùn)載火箭智能飛行技術(shù)進(jìn)入該階段。長(zhǎng)征二號(hào)F在研制中采用提升全箭載荷裕度、箭機(jī)主從冗余、單機(jī)極限壽命試驗(yàn)為代表的“總體裕度-系統(tǒng)冗余-單機(jī)強(qiáng)化”三層級(jí)可靠性設(shè)計(jì)方法提升可靠性,具備了典型故障的適應(yīng)能力。此后,中國(guó)現(xiàn)役各類型運(yùn)載火箭均據(jù)此方法進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),能有效適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)重要單機(jī)的一度故障,具備了一定的容錯(cuò)能力。同時(shí)首次在火箭上設(shè)置故障檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)總結(jié)火箭故障與飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的映射關(guān)系,形成“過(guò)載+姿態(tài)”的故障檢測(cè)參數(shù)和“極限偏差仿真+典型故障遍歷仿真”的故障判據(jù)制定方法,覆蓋所有需要逃逸的故障模式,具備了判斷是否發(fā)生致命性故障的能力;制定了覆蓋5個(gè)高度范圍、3種氣動(dòng)外形組合的全剖面逃逸策略,在發(fā)生致命故障情況下,實(shí)現(xiàn)了在生理承受能力、逃逸飛行器結(jié)構(gòu)完整、落區(qū)安全性等多約條件下的航天員安全逃逸。上述成果使飛行可靠性從傳統(tǒng)火箭的0.91提高到0.97,安全性達(dá)到0.99,保證了中國(guó)15次載人火箭發(fā)射任務(wù)全部圓滿成功。

表1 三層級(jí)可靠性設(shè)計(jì)方法Table 1 Three-tier reliability design method

(3)增強(qiáng)智能飛行階段

隨著現(xiàn)代控制理論與電子技術(shù)的發(fā)展,增強(qiáng)智能飛行階段的航天運(yùn)輸器具備對(duì)關(guān)鍵單機(jī)、系統(tǒng)的感知和狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力,可以診斷全箭、系統(tǒng)、單機(jī)的已知有限故障類型和程度,具備基本的評(píng)估決策能力,可以通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)提升飛行適應(yīng)包絡(luò)。該階段核心特征為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)重構(gòu)。

國(guó)外典型代表為美國(guó)的航天飛機(jī)、太空發(fā)射系統(tǒng)以及獵鷹9火箭。該三型火箭均設(shè)計(jì)了故障診斷系統(tǒng),飛行時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)主動(dòng)診斷故障,并采取處置措施。太空發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)”,在該時(shí)間點(diǎn)后,可主動(dòng)關(guān)停一臺(tái)故障發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)切換制導(dǎo)策略,盡可能進(jìn)入預(yù)定軌道;對(duì)于載人任務(wù),將通過(guò)在線評(píng)估入軌能力后,利用剩余能力及“獵戶座”載人飛船的推進(jìn)能力,進(jìn)入一條安全軌道。獵鷹9火箭具備飛行90 s前損失一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、90 s之后損失兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仍可完成飛行任務(wù)的能力。2020年3月獵鷹9火箭一次飛行任務(wù)中,箭上故障診斷系統(tǒng)主動(dòng)關(guān)停了故障發(fā)動(dòng)機(jī),依靠故障診斷和任務(wù)重規(guī)劃技術(shù),完成了主飛行任務(wù)。不過(guò)上升段提前消耗了回收時(shí)減速所需要的推進(jìn)劑,使得未能成功回收一子級(jí)火箭。通過(guò)垂直起降回收的火箭天然具備動(dòng)力冗余能力,所以獵鷹9火箭對(duì)于上升段動(dòng)力故障適應(yīng)能力極強(qiáng)[9],這是帶翼回收模式所不具備的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)對(duì)該階段的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探索與應(yīng)用,長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功驗(yàn)證并應(yīng)用了末修發(fā)動(dòng)機(jī)與姿控噴管的極性故障辨識(shí)與控制重構(gòu)技術(shù)[10];在故障診斷、任務(wù)重規(guī)劃技術(shù)方面,中國(guó)在長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭上開(kāi)展了相應(yīng)的飛行搭載驗(yàn)證,通過(guò)飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了飛行過(guò)程中的每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷,并根據(jù)火箭當(dāng)前飛行速度和位置以及剩余燃料,在線評(píng)估推力下降故障后的剩余入軌能力,完成了任務(wù)重規(guī)劃技術(shù)的初步驗(yàn)證[11],如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭飛行搭載驗(yàn)證剖面[11]Fig.3 Profile of the flight carrying demonstration of the CZ-2C[11]

中國(guó)將通過(guò)研制新一代載人運(yùn)載火箭邁入該階段。通過(guò)轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念,在總體設(shè)計(jì)階段面向典型故障開(kāi)展了故障容錯(cuò)和重構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)置故障診斷與處置系統(tǒng),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了健康監(jiān)測(cè),應(yīng)用在線任務(wù)重規(guī)劃和控制重構(gòu)技術(shù),降低故障影響,大幅提升全箭智能飛行水平。

(4)全面智能飛行階段

面向未來(lái)大規(guī)模進(jìn)出空間、探索空間和開(kāi)發(fā)空間的任務(wù)需求,航天運(yùn)輸系統(tǒng)將發(fā)展到航班化階段[12],年總飛行次數(shù)達(dá)到千次量級(jí),形成體系化能力和規(guī)?；a(chǎn)業(yè),完全重復(fù)使用、智能飛行將成為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的基本技術(shù)特征。

該階段航天運(yùn)輸系統(tǒng)將有效融合人工智能技術(shù),建立全生命周期、全系統(tǒng)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)火箭本體自主修復(fù),具備交互式學(xué)習(xí)能力,可以通過(guò)多智能體天地協(xié)同學(xué)習(xí)、多智能體的協(xié)同重構(gòu)能力,自主適應(yīng)環(huán)境和本體狀態(tài)變化,具備不確定性故障適應(yīng)能力。

2.2 差距分析

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)主力長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭具備了發(fā)射低、中、高不同軌道、不同有效載荷的能力,在智能飛行方面開(kāi)展了初步探索,對(duì)標(biāo)國(guó)際航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)發(fā)展情況,主要在三個(gè)方面存在不足:

1)智能飛行技術(shù)體系尚不完備,攻關(guān)力量相對(duì)分散。當(dāng)前中國(guó)尚無(wú)明確的智能飛行技術(shù)體系,無(wú)法對(duì)中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行發(fā)展與應(yīng)用形成指導(dǎo),導(dǎo)致各專業(yè)系統(tǒng)攻關(guān)力量相對(duì)分散,未形成有效合力集智攻關(guān)。

2)適用于復(fù)雜飛行剖面的智能自主決策算法等基礎(chǔ)理論整體較為薄弱。以運(yùn)載火箭為代表的航天運(yùn)輸領(lǐng)域飛行器飛行剖面復(fù)雜,參數(shù)變化劇烈,運(yùn)載火箭飛行高度從地表至真空,大氣密度等外部環(huán)境參數(shù)和自身模型特性參數(shù)急劇變化,非線性特征顯著;同時(shí),由于系統(tǒng)復(fù)雜,部組件眾多,僅結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的部組件就超過(guò)數(shù)萬(wàn)個(gè),導(dǎo)致故障失效模式復(fù)雜。因此,如何在復(fù)雜場(chǎng)景中利用有限信息進(jìn)行有效分析與決策,是智能飛行技術(shù)突破所面臨的關(guān)鍵難題,其中所需要的有限計(jì)算資源下智能自主決策算法等基礎(chǔ)理論研究較為薄弱。

3)智能飛行技術(shù)對(duì)航天運(yùn)載器總體頂層設(shè)計(jì)影響分析欠缺,總體頂層研制準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)流程尚需完善。智能飛行技術(shù)的變革與突破將有效推動(dòng)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)理念和模式的轉(zhuǎn)變。中國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)F載人火箭研制時(shí)建立了包括飛行可靠性、安全性完整的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,使中國(guó)邁入智能飛行第二階段。當(dāng)前第三階段智能飛行技術(shù)不斷突破與發(fā)展,其對(duì)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)頂層準(zhǔn)則的影響分析還不夠成熟,還需持續(xù)完善相應(yīng)的研制準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)流程,以更好地提升總體設(shè)計(jì)水平。

3 中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)發(fā)展架構(gòu)

針對(duì)中國(guó)在智能飛行領(lǐng)域的差距不足,基于“發(fā)展第三階段,探索第四階段”的基本原則,制定中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)架構(gòu),見(jiàn)圖4,構(gòu)建由“感知與監(jiān)測(cè)-評(píng)估與決策-執(zhí)行與處置”組成的功能層,據(jù)此進(jìn)一步細(xì)化了實(shí)現(xiàn)層,梳理了關(guān)鍵技術(shù)群和基礎(chǔ)理論。

圖4 中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)架構(gòu)圖Fig.4 Intelligent flight technology architecture of China’s space transportation system

3.1 智能感知與監(jiān)測(cè)功能

智能感知與監(jiān)測(cè)主要包括多元跨域信息感知、信息智能傳輸、智能健康監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

(1)多元跨域信息感知

在傳統(tǒng)的過(guò)載、角度、壓力、溫度、電壓等傳感器基礎(chǔ)上,具備多元跨域信息感知能力。一方面豐富信息感知的種類,研制應(yīng)用氣流傳感器等大氣測(cè)量裝置,研究分布式光纖應(yīng)變傳感器,實(shí)時(shí)獲得全箭攻角、載荷、模態(tài)以及外界大氣密度、溫度等多元信息;另一方面突破跨域信息感知技術(shù),除了飛行器自身傳感器感知數(shù)據(jù)以外,連通互聯(lián)網(wǎng)星座、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái),實(shí)時(shí)獲取飛行剖面、空間環(huán)境等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),為其他技術(shù)與功能模塊提供基礎(chǔ)信息。

(2)信息智能傳輸

針對(duì)以往1553總線傳輸中站點(diǎn)數(shù)、通信距離、傳輸速度等方面受限問(wèn)題,目前在研的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、光纖總線等技術(shù),雖然解決了傳輸帶寬和傳輸距離等問(wèn)題,但是電纜安裝等限制仍無(wú)法適應(yīng)智能感知末端大幅增長(zhǎng)的需求,突破LED可見(jiàn)光無(wú)線通信、無(wú)線通信攜能等技術(shù),搭建無(wú)線智能傳輸網(wǎng)絡(luò),以無(wú)線傳感器為端節(jié)點(diǎn),以智能信息調(diào)度模塊為中樞,全面提升全箭信息交換的數(shù)據(jù)帶寬和應(yīng)用靈活性,為智能飛行技術(shù)要求的大數(shù)據(jù)感知、傳輸、計(jì)算等需求提供基礎(chǔ)支撐,見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)方案示意圖Fig.5 Wireless sensor network scheme

(3)智能健康監(jiān)測(cè)

運(yùn)載火箭屬于強(qiáng)耦合、高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng),狀態(tài)空間復(fù)雜,故障后傳播和系統(tǒng)演變機(jī)理復(fù)雜,一方面導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)難度增加,另一方面也為我們由不同參數(shù)、不同系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合確認(rèn)提供了可能。通過(guò)研究基于多元信息融合的智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù),融合力、熱、電、動(dòng)力學(xué)等多元信息,實(shí)現(xiàn)從單一要素感知向組合要素智能感知的轉(zhuǎn)變,見(jiàn)圖6。同時(shí)研究基于信號(hào)處理、解析模型、知識(shí)的多種診斷方法,實(shí)現(xiàn)多類多維度信息、多方法聯(lián)合監(jiān)測(cè)確認(rèn),可降低誤診率和漏診率,本質(zhì)提升健康監(jiān)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性;通過(guò)深度學(xué)習(xí)等智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)預(yù)測(cè),將為在傳播失效速度在秒級(jí)的“快故障”的有效處置提供有效解決方案。

圖6 多元信息融合智能健康監(jiān)測(cè)Fig.6 Multi-information fusion of the intelligent health monitoring

(4)剖面管道預(yù)警

未來(lái)近地軌道空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將持續(xù)推進(jìn),航天發(fā)射頻次將呈幾何級(jí)數(shù)增加,航班化的航天運(yùn)輸系統(tǒng)需突破空間環(huán)境跨域感知技術(shù),通過(guò)天地協(xié)同實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)異常氣象、空間碎片等環(huán)境信息,為箭上智能評(píng)估與決策提供基礎(chǔ)的環(huán)境預(yù)警信息。

3.2 智能評(píng)估與決策功能

智能評(píng)估與決策主要包括頻率特性評(píng)估、剩余能力評(píng)估、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)。

(1)頻率特性評(píng)估

運(yùn)載火箭系統(tǒng)復(fù)雜,頻率管理問(wèn)題格外重要,在全箭光纖應(yīng)變傳感器等感知信息基礎(chǔ)上,研究羽流光譜分析、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、箭體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵產(chǎn)品的模態(tài)頻率快速提取分離,在線評(píng)估頻率耦合情況,為頻率綜合管理提供基礎(chǔ)。

圖7 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模態(tài)提取技術(shù)Fig.7 Modal extraction technique based on the convolutional neural network

(2)剩余能力評(píng)估

當(dāng)運(yùn)載火箭出現(xiàn)故障時(shí),需要對(duì)兩個(gè)核心能力進(jìn)行評(píng)估,一是質(zhì)心運(yùn)動(dòng)層面的運(yùn)載能力,二是繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)層面的姿態(tài)控制能力。

在剩余運(yùn)載能力評(píng)估方面,依據(jù)剩余液位信息在線評(píng)估最大可用能量,依據(jù)全箭狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)入軌運(yùn)載能力的量化評(píng)估,為任務(wù)重規(guī)劃決策提供基礎(chǔ)支撐。在姿控能力評(píng)估方面,由于飛行器故障系統(tǒng)狀態(tài)偏離標(biāo)稱狀態(tài)較大,需對(duì)姿控系統(tǒng)的剩余控制能力、狀態(tài)可達(dá)范圍、最大擾動(dòng)適應(yīng)能力、系統(tǒng)穩(wěn)定裕度進(jìn)行量化評(píng)價(jià),突破基于不變集理論的輸入受限收斂區(qū)間估計(jì)、基于狀態(tài)有界的受限系統(tǒng)擾動(dòng)抑制等基礎(chǔ)理論,為控制重構(gòu)提供基礎(chǔ)支撐。

(3)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

飛行過(guò)程中,不論是正常還是故障工況,都需要在健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)智能評(píng)估動(dòng)力、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),并進(jìn)行狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè),保證在非標(biāo)稱飛行剖面下動(dòng)力、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)狀態(tài)正常,風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖8 控制系統(tǒng)最大擾動(dòng)抑制能力評(píng)估Fig.8 Evaluation of maximum disturbance suppression capability of the control systems

(4)多約任務(wù)重規(guī)劃

出現(xiàn)故障后,運(yùn)載火箭依據(jù)剩余能力評(píng)估結(jié)果,考慮飛行載荷約、落區(qū)約等限制條件,規(guī)劃可達(dá)的最優(yōu)目標(biāo)軌道和過(guò)程飛行軌跡,解決故障后火箭飛到哪的問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)涉及可用于飛行箭載終端的快速智能優(yōu)化算法、最優(yōu)控制等基礎(chǔ)理論研究。

圖9 火箭任務(wù)重規(guī)劃對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制問(wèn)題Fig.9 Optimal control problems for the rocket mission reprogramming

3.3 智能執(zhí)行與處置功能

智能執(zhí)行與處置主要包括頻率綜合管理、控制智能重構(gòu)和多智能體協(xié)同重構(gòu)等。

(1)頻率綜合管理

通過(guò)頻率特性評(píng)估結(jié)果,確定頻率耦合類型,智能采用相應(yīng)頻率管理措施。對(duì)于結(jié)構(gòu)-控制頻率耦合問(wèn)題,突破箭上自適應(yīng)陷波濾波技術(shù),衰減異常頻率,阻斷頻率耦合通路;對(duì)于結(jié)構(gòu)-動(dòng)力頻率耦合問(wèn)題,突破動(dòng)力系統(tǒng)頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù),實(shí)現(xiàn)能量吸收及錯(cuò)頻處置。

(2)智能控制

研究自適應(yīng)控制、參數(shù)辨識(shí)等基礎(chǔ)控制理論,突破大長(zhǎng)細(xì)比火箭彈性自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)控制、擾動(dòng)自適應(yīng)補(bǔ)償控制、控制指令智能分配、控制參數(shù)在線智能調(diào)節(jié)、自適應(yīng)制導(dǎo)、故障火箭剛晃彈穩(wěn)定控制等關(guān)鍵技術(shù),使火箭正常飛行時(shí)具備對(duì)外部擾動(dòng)在線估計(jì)與補(bǔ)償、飛行狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)智能辨識(shí)等能力,提升控制品質(zhì)與剖面適應(yīng)性;并具備故障工況時(shí)控制系統(tǒng)的制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)自適應(yīng)重構(gòu)能力,保證運(yùn)載火箭的質(zhì)心和繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)控制的精確性和穩(wěn)定性。

(3)系統(tǒng)智能重構(gòu)

研究運(yùn)載火箭電氣、動(dòng)力等系統(tǒng)智能重構(gòu)技術(shù)。正常飛行時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)單機(jī)功耗智能管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)功率智能變頻調(diào)節(jié),優(yōu)化全箭電氣能源管理;電氣系統(tǒng)單機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),在單機(jī)通用化基礎(chǔ)上,優(yōu)化重構(gòu)電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu),確定該模式下的最優(yōu)重構(gòu)目標(biāo)單機(jī),通過(guò)系統(tǒng)遷移技術(shù),在正常的目標(biāo)單機(jī)上部署并運(yùn)行故障單機(jī)的功能軟件,利用軟件定義硬件功能實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)智能重構(gòu),確保系統(tǒng)功能正常。故障后動(dòng)力系統(tǒng)除了進(jìn)行簡(jiǎn)單關(guān)機(jī)處置外,研究突破其內(nèi)部隔離與組件重構(gòu)技術(shù),一方面提升其正常工況下的可靠性和故障后安全性,另一方面實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部的自重構(gòu),豐富動(dòng)力系統(tǒng)故障處置手段。

(4)多智能體協(xié)同重構(gòu)

突破多智能體在軌智能交互、載荷移交技術(shù),實(shí)現(xiàn)多智能體協(xié)同任務(wù)重構(gòu)。故障飛行器執(zhí)行目標(biāo)降軌后處于停泊軌道穩(wěn)定運(yùn)行,此時(shí)在軌服務(wù)飛行器可變軌機(jī)動(dòng)至故障飛行器,依據(jù)故障飛行器健康狀態(tài),可實(shí)施在軌補(bǔ)加使故障飛行器繼續(xù)完成任務(wù)。若故障飛行器已不具備任務(wù)執(zhí)行能力,則可通過(guò)在軌對(duì)接載荷移交技術(shù),由在軌服務(wù)飛行器繼續(xù)完成任務(wù),將任務(wù)執(zhí)行主體由個(gè)體轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀悄荏w,通過(guò)協(xié)同重構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)可靠性的跨越式提升。

4 智能飛行技術(shù)對(duì)總體設(shè)計(jì)影響

智能飛行技術(shù)將有效提升中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)飛行可靠性,增強(qiáng)航天運(yùn)載器對(duì)偏差、故障和環(huán)境的適應(yīng)性,其對(duì)航天運(yùn)載器總體頂層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、流程均有一定影響?，F(xiàn)階段中國(guó)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)遵循極限偏差包絡(luò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,基本內(nèi)容為在基準(zhǔn)任務(wù)剖面基礎(chǔ)上,綜合考慮偏離各系統(tǒng)標(biāo)稱性能指標(biāo)的3σ偏差限,通過(guò)偏差組合拉偏拓展任務(wù)剖面,并據(jù)此完成總體、系統(tǒng)以及單機(jī)的具體設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)智能飛行技術(shù)應(yīng)用,需完善以運(yùn)載火箭為代表的航天運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:在開(kāi)展具體方案設(shè)計(jì)前,首先梳理各層級(jí)典型故障,隨后各層級(jí)針對(duì)典型故障開(kāi)展設(shè)計(jì);面向典型故障開(kāi)展方案設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)縮小設(shè)計(jì)偏差限λσ,以兼顧性能損失、經(jīng)濟(jì)成本以及周期約。兩種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的比較見(jiàn)圖10。

圖10 兩種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的比較Fig.10 Comparison of the two design criteria

在頂層準(zhǔn)則約下,進(jìn)一步完善運(yùn)載火箭的構(gòu)型論證、總體多專業(yè)回路設(shè)計(jì)等流程:構(gòu)型論證流程中,構(gòu)型應(yīng)選用合理推力量級(jí)、合適臺(tái)數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力冗余設(shè)計(jì),做好動(dòng)力冗余與可靠性設(shè)計(jì)之間的平衡;總體多專業(yè)回路設(shè)計(jì)流程中,在各專業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)注入相應(yīng)的典型故障,開(kāi)展故障設(shè)計(jì)與校核工作,優(yōu)先調(diào)整下游專業(yè)設(shè)計(jì),避免上游專業(yè)的反復(fù)。

圖11 運(yùn)載火箭總體多專業(yè)回路設(shè)計(jì)流程圖Fig.11 General multi-disciplinary loop design framework for launch vehicles

5 總 結(jié)

智能飛行技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑,通過(guò)制定中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)智能飛行技術(shù)架構(gòu),為系統(tǒng)提升中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的智能飛行技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用提供指導(dǎo)。為了盡快邁進(jìn)智能飛行第三階段、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,短期內(nèi)需重點(diǎn)推動(dòng)頂層總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與流程落地,并配合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和更新,確保新研型號(hào)的總體設(shè)計(jì)的優(yōu)良基因;同時(shí)集智攻關(guān),組織優(yōu)勢(shì)力量加快推動(dòng)“健康監(jiān)測(cè)-剩余能力評(píng)估-任務(wù)重規(guī)劃-控制重構(gòu)”等關(guān)鍵技術(shù)在型號(hào)上的閉環(huán)應(yīng)用,初步實(shí)現(xiàn)智能飛行技術(shù)“感知與監(jiān)測(cè)-評(píng)估與決策-執(zhí)行與處置”三項(xiàng)核心功能的落地應(yīng)用。

當(dāng)前隨著常態(tài)化、航班化進(jìn)出空間需求日益提升,需將航天運(yùn)輸系統(tǒng)重新回歸運(yùn)載工具本質(zhì)特征,充分考慮飛行任務(wù)剖面參數(shù)的快速變化與未知性,通過(guò)智能飛行核心技術(shù)的進(jìn)步,配合低成本重復(fù)使用、高性能組合動(dòng)力等技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)真正意義上的航班化進(jìn)出空間,支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè),為中華民族偉大復(fù)興匯聚民族力量。