航班化航天運輸系統(tǒng)中的控制問題

包為民，祁振強

(1. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引 言

太空領(lǐng)域是21世紀世界大國競爭的重要疆域,世界航天已進入以大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開發(fā)、載人月球探測、大規(guī)模深空探測為代表的新階段,全球航天發(fā)展的新浪潮澎湃而至。美國太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)為重返月球已完成首次飛行,維珍銀河、藍色起源、SpaceX等公司開啟了人類太空旅游的先河。人類對太空的依賴與日俱增,進入空間的需求正在快速增長,高效率、高可靠、高安全成為未來航天運輸系統(tǒng)的重要標志,發(fā)展航班化的航天運輸系統(tǒng)也成為進出空間的重要途徑和主要方向[1]。

航天運輸系統(tǒng)作為一個國家開展航天活動的支撐和基礎(chǔ),是其綜合國力的重要標志[2]。經(jīng)過60余年的不懈努力,中國運載火箭走過了從無到有、從有到全的發(fā)展歷程,形成了較為完備的產(chǎn)品系列,為中國載人航天、月球探測、火星探測等重大工程的順利實施奠定了堅實基礎(chǔ)。近年來,以CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-8等為代表的第三代運載火箭成為航天任務(wù)主力擔當,以新一代載人火箭、重型運載火箭為代表的第四代運載火箭正在研制當中,實現(xiàn)重復(fù)使用將進一步提高中國進入空間的能力。

瞄準全面建成航天強國,中國將進行載人月球探測、月球科考基地建設(shè)、火星采樣返回等重大工程,讓中國人探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠。這對航天運輸系統(tǒng)的品質(zhì)屬性和載荷能力提出了更高要求,像飛機一樣實現(xiàn)航班化運營,是革命性提升航天運輸系統(tǒng)能力的重要途徑[1,2]。站在新的歷史節(jié)點上,面向多樣化發(fā)展需求,中國應(yīng)拓展發(fā)展理念,大力研發(fā)航班化的航天運輸系統(tǒng),迎接航天運輸新時代。

本文將從航班化航天運輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)、所需的智能及信息技術(shù)支撐等方面展開探討,提出當前面臨、亟需解決的問題,為廣大科技工作者提供研究參考,助力實現(xiàn)中國航天運輸系統(tǒng)“從全到強”的歷史跨越,為滿足未來大規(guī)模探索與開發(fā)太空、人民對未來美好生活向往以及延拓人類生存與發(fā)展等的需求,貢獻中國航天智慧。

1 航班化航天運輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 系統(tǒng)組成及發(fā)展路線

航班化航天運輸系統(tǒng)主要由1小時全球抵達運輸、天地往返運輸、空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)?類系統(tǒng)組成,具有重復(fù)使用、智能化、模塊化、標準化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化等技術(shù)特征[1],如表1。

表1 航班化航天運輸系統(tǒng)組成Table 1 Components of the airline-flight-mode aerospace transportation system

發(fā)展路線可劃分為3個階段:1)近期目標(起步建設(shè)),包括完成關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破、基礎(chǔ)研究獲得進展、開展技術(shù)驗證飛行試驗等;2)中期目標(初步建成),包括重復(fù)使用次數(shù)達到50～100次、單位載荷發(fā)射成本降低50%以上、周轉(zhuǎn)時間不大于1周、實現(xiàn)初步航班化運營等;3)遠期目標(全面建成),包括重復(fù)使用次數(shù)100次以上、單位載荷發(fā)射成本降低1到2個量級、周轉(zhuǎn)時間12 h、實現(xiàn)全面航班化運營等。

1.2 面臨的考驗與挑戰(zhàn)

隨著未來航天任務(wù)的任務(wù)高密集,使得航班化航天運輸飛行面臨新挑戰(zhàn)。異構(gòu)多型的在軌飛行器、在軌巨型星座等形成的密布動態(tài)空間運營環(huán)境,空間碎片、殘骸等形成的不確定性環(huán)境,頻繁高速跨域飛行中嚴苛的力、熱環(huán)境,全球抵達運輸?shù)拇髿猸h(huán)境與全球發(fā)射場/著陸場環(huán)境,以及深空探測中的極端飛行環(huán)境等都將成為航班化航天運輸面臨的新環(huán)境。與之對應(yīng)的任務(wù)特點也將新質(zhì)呈現(xiàn)為,不同起降的飛行方式(垂直起降、垂直起飛水平降落、水平起降等),在軌巨型星座、空間碎片等動態(tài)環(huán)境約束的飛行管道設(shè)計,多飛行器間的太空軌道交通管理,滿足空間組裝、加油、中轉(zhuǎn)任務(wù)的航天器互相協(xié)作等。

上述環(huán)境變化與任務(wù)特點對航班化航天運輸,尤其是飛行器控制系統(tǒng)提出了新的考驗,主要體現(xiàn)在:

1)在軌巨型星座、空間碎片等共存形成的密布動態(tài)空間導(dǎo)致飛行管道越來越窄。以500 km軌道高度為例,在未來分布10萬個巨型星座衛(wèi)星、2萬個空間碎片和航天器殘骸的情況下,航班化航天運輸飛行器的飛行管道僅約80 km左右;

2)許用運行管道呈現(xiàn)為動態(tài)變化?？臻g飛行器、空間碎片的飛行馬赫數(shù)均在25以上,運行軌道呈立體分布,軌道面多樣、飛行方向多樣,全球可能還有成百上千的航班化飛行器在空天域同時飛行;

3)飛行環(huán)境是強不確定的。航班化航天運輸除了上升段外,還涉及再入返回、著陸、再次發(fā)射等過程,飛行剖面既有程序指令單安排的運輸任務(wù),還有應(yīng)急調(diào)度安排的重規(guī)劃飛行以及適應(yīng)任務(wù)降級的備降/迫降任務(wù)等,頻繁跨域飛行中的環(huán)境不確定性強。

這些考驗使得航班化航天運輸?shù)娘w行控制單靠人來管理已不現(xiàn)實,已成為典型的無人自主控制系統(tǒng),對航天控制提出了新的挑戰(zhàn):

1)如何在狹窄、動態(tài)的飛行管道下精準控制,實現(xiàn)航班化航天運輸?shù)陌踩w行?

2)如何快速規(guī)劃飛行任務(wù)走廊,實現(xiàn)航班化航天運輸飛行器的跨域、靈活天地穿梭?

3)如何構(gòu)建航班化空間運營體系,實現(xiàn)航班化航天運輸飛行器的協(xié)同與控制?

2 航班化航天控制需要智能賦能、信息驅(qū)動

從航班化航天運輸飛行的角度來看,存在飛行管道更狹窄、全球覆蓋飛行下環(huán)境不確定性更強、航班化運輸飛行器、空間碎片及殘骸等數(shù)量構(gòu)型眾多、空天域信息種類和數(shù)量更多、信息異構(gòu)更復(fù)雜、信息動態(tài)變化更快(易缺失信息)、信息跨域傳輸更遠等問題[3-4]。應(yīng)對這些,在不確定環(huán)境與異常情況的感知與認知、飛行器的自主決策與精準控制、多飛行器的協(xié)同合作等方面需要發(fā)展智能技術(shù)以融合支撐[5～7];在海量異構(gòu)信息的產(chǎn)生/傳輸/處理、準確高效利用信息以及實現(xiàn)航班化運輸體系運營管理等需要發(fā)展信息技術(shù)以有效應(yīng)對。

2.1 智能賦能航班化航天運輸

航班化航天運輸?shù)闹悄苜x能將依托智能算法、算力、數(shù)據(jù)、知識,實現(xiàn)環(huán)境與本體的有效感知與準確認知、管道與軌跡的規(guī)劃決策與精準控制、多飛行器間的協(xié)同合作與沖突消解,實現(xiàn)航班化航天運輸飛行器狹窄管道內(nèi)的安全飛行與靈活穿梭。具體表現(xiàn)為:

1)有效感知、準確認知:包括智能感知飛行環(huán)境,智能預(yù)測空間碎片、殘骸等的運行軌跡,智能監(jiān)測自身狀態(tài)、診斷異常故障等;

2)規(guī)劃決策、精準控制:包括自主決策飛行管道、規(guī)劃飛行軌跡,自主重構(gòu)故障,自主應(yīng)對不確定突發(fā)狀況等;

3)協(xié)同合作、沖突消解:包括太空擺渡、自主加注、中轉(zhuǎn)與組裝,多飛行器間協(xié)同飛行,動態(tài)障礙的自主規(guī)避等。

航班化航天運輸重復(fù)使用次數(shù)多、周轉(zhuǎn)周期短、飛行距離遠(部分飛行器長期在軌),還需通過訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、演進,使飛行器具備邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)能力,實現(xiàn)個體強適應(yīng)、任務(wù)快響應(yīng)、飛行自學(xué)習(xí)、一次設(shè)計延伸全生命周期、可重復(fù)使用以及控制系統(tǒng)能力的迭代優(yōu)化等,彌補程序化控制帶來的局限性,持續(xù)提升航班化航天運輸?shù)目煽啃耘c自主性。

2.2 信息驅(qū)動航班化航天運輸

控制始于對控制目標和環(huán)境態(tài)勢的信息反饋,信息的傳遞是為了更好地實現(xiàn)控制意圖[8]。航班化航天運輸中的信息主要包括:確定性信息(包括空管運營信息、在軌巨型星座信息、協(xié)作飛行器信息等)和不確定性信息(包括跨域復(fù)雜力熱環(huán)境信息、空間碎片信息、本體診斷信息、突發(fā)事件信息等)。綜合信息高效應(yīng)用,是支撐飛行器應(yīng)對航班化航天運輸中復(fù)雜環(huán)境、任務(wù)、突發(fā)狀況,實現(xiàn)控制意圖的基礎(chǔ)。

適應(yīng)航班化航天運輸控制,主要通過拓寬獲取的維度與來源,依賴太空軌道管理信息、航班化運營管理信息等實現(xiàn)對信息的可靠獲取;通過信息的壓縮與解密,信息的低延時、強抗擾,以及信息的傳輸協(xié)議與標準體系等實現(xiàn)對信息的可信傳輸;通過本體、環(huán)境、任務(wù)、運營管理等的多源信息處理能力,信息與資源統(tǒng)一調(diào)度管理等實現(xiàn)對信息的敏捷處理。

在以上信息處理的基礎(chǔ)上,將智能賦能下的航天控制與信息更深度的融合,實現(xiàn)信息驅(qū)動下的航班化航天運輸控制,主要體現(xiàn)在:

1)第一層次:制導(dǎo)與姿控環(huán)——利用自身的控制信息,實現(xiàn)在動態(tài)、狹窄管道中的精準控制;

2)第二層次:指揮管理環(huán)——利用感知的環(huán)境態(tài)勢信息與飛行器本體信息,實現(xiàn)對航班化運輸飛行器的飛行狀態(tài)管理;

3)第三層次:空間體系運營環(huán)——利用空間飛行器、碎片等的監(jiān)控信息,實現(xiàn)對整個空間的體系化管理。

最終形成航班化航天運輸系統(tǒng)的信息綜合與控制系統(tǒng)。

2.3 航班化航天運輸系統(tǒng)的信息綜合與控制系統(tǒng)

航班化航天運輸控制的內(nèi)涵由傳統(tǒng)面向飛行器的“姿控-制導(dǎo)”的兩重回路,延展為適應(yīng)復(fù)雜異構(gòu)多體協(xié)同的“姿控-制導(dǎo)-指揮管理-空間體系運營”四重回路。如圖1所示。

由圖1可以看出,各回路是逐重包含的;信息流在各回路中、回路間高效傳動;內(nèi)重回路是外重回路實現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。

圖1 航班化航天運輸系統(tǒng)的信息綜合與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Information synthesis and control system structure of the airline-flight-mode aerospace transportation system

1)第一層次:姿控回路+制導(dǎo)回路。①通過跨域高動態(tài)智能制導(dǎo)與制導(dǎo)、復(fù)合控制策略和再入控制、高動態(tài)環(huán)境下的高精度導(dǎo)航實現(xiàn)強適應(yīng)制導(dǎo)與控制;②通過制導(dǎo)控制參數(shù)自優(yōu)化、策略自學(xué)習(xí)等,持續(xù)改善飛行品質(zhì),實現(xiàn)飛行中的自學(xué)習(xí);③基于對歷史信息和知識的學(xué)習(xí),飛行器模型(包括動力、氣動、結(jié)構(gòu)等)認識越來越準,飛行性能越來越好,支持長期運營服務(wù),更加可靠、舒適、經(jīng)濟,實現(xiàn)全生命周期終身學(xué)習(xí)。

2)第二層次:指揮管理回路。①通過對空間碎片、殘骸的在線感知與威脅評估,環(huán)境與本體參數(shù)的在線辨識、自身故障的自檢測等實現(xiàn)自感知、自診斷;②基于密布動態(tài)空間信息,實現(xiàn)上升段、再入段的狹窄管道規(guī)劃與設(shè)計;③通過飛行能力在線評估,飛行任務(wù)、飛行管道在線決策,在天-地聯(lián)動下完成應(yīng)急故障的指揮與控制。

3)第三層次:空間體系運營回路。①通過星箭組網(wǎng)、互聯(lián)互通,實現(xiàn)對航班化運輸飛行器、在軌航天器、空間碎片的動態(tài)監(jiān)視;②通過信息互享、太空多飛行器軌道管理,智慧地表/太空聯(lián)合管理等,實現(xiàn)國際太空合作與運營管理;③構(gòu)建太空云港,箭群/星群共享停、修、補、傳服務(wù),形成航班化運輸新生態(tài)。

目前,第一層次已閉合。計劃在“十四五”期間,閉合指揮控制回路(第二層次),并探索空間體系運營回路(第三層次)的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品。在本世紀中葉,完成空間體系運營回路的閉合,輔以智能賦能,實現(xiàn)航班化航天運輸系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運營。

3 航班化航天運輸控制系統(tǒng)需解決的若干問題

發(fā)展智能賦能和信息融合的航班化航天運輸系統(tǒng),布局開展研制攻關(guān)和技術(shù)突破,需要解決若干問題。

1)構(gòu)建航班化航天運輸運營管理體系

基于制導(dǎo)與控制、指揮管理、空間體系運營3個層次,構(gòu)建運營管理體系,對航班化航天運輸系統(tǒng)進行“頂層”管理,為航班化航天運輸提供體系化保證,使航班化航天運輸系統(tǒng)具備典型能力要素:

a.融合性:運用異構(gòu)信息、聯(lián)合異構(gòu)對象,實現(xiàn)跨域協(xié)作與智能決策;

b.協(xié)調(diào)性:多飛行器動態(tài)指揮與控制;

c.靈活性:動態(tài)、狹窄空間內(nèi)靈活穿梭;

d.安全性:故障即時處理、應(yīng)急避障與智能重構(gòu)。

2)研發(fā)適應(yīng)航班化航天運輸運營管理體系的控制系統(tǒng)架構(gòu)

在航班化航天運輸運營管理體系下,建立包含多層級信息快速獲取與處理、計算資源調(diào)配與軟件定義的控制系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)對信息的隨取隨用、對資源的靈活遷移、對功能的自由組合,滿足航班化航天運輸飛行運營管理與自主控制的需求;實現(xiàn)天地信息一體化設(shè)計,構(gòu)建太空信息、星/箭信息、地面信息的全信息處理體制等。

3)夯實智能賦能、信息驅(qū)動下的航班化航天運輸控制理論研究

包括密布動態(tài)空間下安全運籌規(guī)劃機理(信息空間描述、博弈與運籌規(guī)劃)、多源異構(gòu)空間信息智能感知與融合理論(本體狀態(tài)與故障感知、在線決策與重構(gòu))、面向重復(fù)使用的智能控制理論(高精度著陸控制、健康評估理論)、面向故障的航天控制設(shè)計理論(行為和結(jié)果的支撐論據(jù)、冗余與可靠)、邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)的智能控制理論(高效表達、增量學(xué)習(xí))等。

4)探索深化航天信息與控制技術(shù)融合發(fā)展

一是以信息技術(shù)促進航天控制系統(tǒng)的體系化與智能化,保證體系中各平臺、載荷、鏈路等要素之間互相配合與協(xié)調(diào),并將全域信息系統(tǒng)時刻與控制系統(tǒng)進行信息交換,保障控制系統(tǒng)實時高效運行;二是通過航天控制為信息技術(shù)提供應(yīng)用平臺(包括航班化運輸、地月經(jīng)濟區(qū)等各類復(fù)雜航天任務(wù)),并以重大科技工程為需求牽引信息技術(shù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

世界航天即將迎來大規(guī)模進出空間的“航班化航天運輸時代”,站在新的歷史節(jié)點上,面對新的需求、機遇和挑戰(zhàn),我們要把握機遇、迎接挑戰(zhàn),立足中國戰(zhàn)略發(fā)展需求,發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng),夯實基礎(chǔ)、堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,探索新技術(shù)新方法,科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品體系,“智能賦能、信息驅(qū)動”,謀篇長遠,構(gòu)建體系;實現(xiàn)中國航天運輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展,走出中國特色的航班化航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線,建成世界一流水平的航班化航天運輸系統(tǒng)!