運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)及思考

羅大雷，包晨明，肖順吾，王 康

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

航天技術(shù)的發(fā)展促使航天產(chǎn)品越來越多地應(yīng)用于人們的生活，改變戰(zhàn)爭形態(tài)、探索未知領(lǐng)域。近年來，美國、俄羅斯、歐洲等在運(yùn)載火箭測試發(fā)射技術(shù)方面持續(xù)推動快速化，美國正在發(fā)展的快速測試技術(shù)使運(yùn)載火箭測試時間壓縮到24 h以內(nèi)，代表了世界先進(jìn)水平，中國也在持續(xù)推動運(yùn)載火箭測試發(fā)射快速化［1］。

面對高密度、常態(tài)化的航天發(fā)射任務(wù)，需要對航天發(fā)射場重點(diǎn)工作及運(yùn)載火箭測試發(fā)射工作快速化進(jìn)行研究。如采用先進(jìn)總線、機(jī)內(nèi)測試、儀器可互換、箭地一體化設(shè)計、故障診斷、并行測試、遠(yuǎn)程測試支持、閉環(huán)動態(tài)測試、測試數(shù)據(jù)自動判讀、智能控制與決策等技術(shù)，并對航天發(fā)射場運(yùn)載火箭測試發(fā)射技術(shù)、狀態(tài)、組織工作進(jìn)行思考。

1 快速測試發(fā)射技術(shù)

1.1 先進(jìn)總線技術(shù)

20 世紀(jì)90 年代以來，國際上運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)測試采用的總線技術(shù)主要有：GPIB、1553B、VXI、PCI、PXI和LXI六種測試系統(tǒng)，中國現(xiàn)在主要使用前五種，后一種也即將用于新一代運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)。PXI總線能加快測試速度和降低測試成本［2］，LXI總線不僅可以提供機(jī)架和堆疊式儀器的嵌入式測量方案及PC標(biāo)準(zhǔn)的I/O連接能力，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備高集成度的插卡式模塊化設(shè)計，對運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)各單機(jī)設(shè)備進(jìn)行基于Web的分布式測試，有助于電氣系統(tǒng)自動化測試，減少人為錯誤，利于總線竊聽技術(shù)對箭上設(shè)備輸入和輸出信號連續(xù)采樣和監(jiān)測，加快測試進(jìn)度［3］。

1.2 機(jī)內(nèi)測試技術(shù)

現(xiàn)有運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)經(jīng)常使用總線制，而“箭載計算機(jī)控制各類控制器”的分布式總線電氣系統(tǒng)性能更加優(yōu)越，使機(jī)內(nèi)測試技術(shù)成為可能。機(jī)內(nèi)測試采用箭測模式，將慣性組合、電子程配、伺服機(jī)構(gòu)等單機(jī)自檢信息匯總到總線上，傳輸?shù)降孛鏈y試發(fā)射控制系統(tǒng)（以下簡稱測發(fā)控系統(tǒng)），結(jié)合分布式總線電氣系統(tǒng)，對單機(jī)芯片實(shí)施測試［4］。運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)也將采用機(jī)內(nèi)測試［5］，機(jī)內(nèi)測試技術(shù)能夠減少人的測試操作，減少由于不熟練等原因誘發(fā)的故障，促進(jìn)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的故障自動判別，縮短排故時間。

1.3 儀器可互換技術(shù)

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)及基本測試的儀器設(shè)備都采用冗余來保證成功率，儀器可互換技術(shù)最大程度提煉儀器的共同部分，用軟件實(shí)現(xiàn)儀器互換，滿足用戶需求。其中的基于信號驅(qū)動和實(shí)時引擎技術(shù)最為關(guān)鍵［6］。信號驅(qū)動用基于信號的功能函數(shù)，而不是基于儀器的函數(shù)，調(diào)用底層的基于儀器類型的函數(shù)完成儀器動作，信號驅(qū)動完成同類儀器中95%以上的儀器設(shè)備所共有的能力和屬性［7］。實(shí)時引擎根據(jù)用戶意圖、開關(guān)或流程完成狀態(tài)轉(zhuǎn)變、消息處理及選擇儀器類型。盡可能多地采用儀器可互換技術(shù)后，航天發(fā)射場測試發(fā)射工作將大幅度減少加注、發(fā)射預(yù)案討論、編寫、演練的時間。

1.4 箭地一體化設(shè)計技術(shù)

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計時需綜合考慮運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)與測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量，科學(xué)規(guī)劃測試流程，減少箭地接口及通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)箭地數(shù)據(jù)的集中處理、存儲、顯示以及箭地供配電、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息采集的統(tǒng)一。箭地一體化設(shè)計采用系統(tǒng)內(nèi)部的地面激勵—箭上反饋—地面采集方式，提高測試效率，減少航天發(fā)射場箭地測試人員數(shù)量與工作量，加快測試發(fā)射進(jìn)度，有利于測試自動化發(fā)展［1，8］。

1.5 故障診斷技術(shù)

運(yùn)載火箭故障診斷技術(shù)主要有：利用噪聲或者干擾信號的故障診斷；利用專家知識和人腦分析的專家系統(tǒng)［9］；對數(shù)據(jù)、狀態(tài)估計等多種途徑產(chǎn)生殘差，再通過標(biāo)準(zhǔn)值或其他限定條件對該殘差分析的數(shù)學(xué)模型方法［10］；適用于航天發(fā)射場箭上新操作手的案例推理方法［11］；受限于樣本的部件互聯(lián)、非線性、容錯和聯(lián)想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷；高效率低成本的對故障準(zhǔn)確定位的分布式多傳感器技術(shù)；基于電氣系統(tǒng)特定測試發(fā)射流程的故障診斷；根據(jù)電氣系統(tǒng)原理，設(shè)備組成、分布、聯(lián)系，邏輯關(guān)系和試驗數(shù)據(jù)，故障現(xiàn)象，建立的故障樹分析方法［12］。運(yùn)載火箭故障診斷技術(shù)的提高有助于排除測試故障，加快測試發(fā)射進(jìn)度。

1.6 并行測試技術(shù)

并行測試是同一時間段內(nèi)對不同的設(shè)備或相同設(shè)備的不同項目進(jìn)行測試，增加單位時間里被測設(shè)備或項目的數(shù)量，提高測試儀器利用率，縮短測試周期。運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)箭上和地面的主控軟件使用信息流控制不同的分布式執(zhí)行終端，并行測試電氣系統(tǒng)儀器設(shè)備。通過火箭電氣系統(tǒng)箭上和地面的接口開關(guān)轉(zhuǎn)換，將電氣系統(tǒng)不同被測設(shè)備接入，根據(jù)任務(wù)流程交錯的測試，自動調(diào)度電氣系統(tǒng)不同設(shè)備并行測試，而且可以對設(shè)備內(nèi)部的多項參數(shù)并行測試。并行測試涉及到測試流程優(yōu)化、任務(wù)分解、測試儀器分配和軟件多線程設(shè)計，需要在任務(wù)前期就對測試流程和測試點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃［1，13］。

1.7 遠(yuǎn)程測試及支持技術(shù)

運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程測試可以使不同單位的航天專家在多地對處于不同總裝廠房、航天發(fā)射場的運(yùn)載火箭進(jìn)行測試，提高效率，減少測試時間。遠(yuǎn)程測試可以將測試的指令和控制區(qū)放在發(fā)射場，由專家遠(yuǎn)程監(jiān)視判讀，也可以將測試指令、控制、監(jiān)視、判讀信息都傳遞給專家，發(fā)射場現(xiàn)場進(jìn)行線纜連接和硬件操作［14］。遠(yuǎn)程測試需要可視化交互技術(shù)；測試、視頻、音頻數(shù)據(jù)同步傳輸流量管理技術(shù)；控制系統(tǒng)的箭機(jī)、慣組、伺服機(jī)構(gòu)，電池等多種異構(gòu)數(shù)據(jù)的集中采集、存儲、傳輸技術(shù)；發(fā)動機(jī)電磁閥、電爆管的實(shí)景鏡像的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)支持［15］。

1.8 閉環(huán)動態(tài)測試技術(shù)

目前運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)普遍采用攝動制導(dǎo)，地面測試時模擬飛行程序角無論如何變化，都不會對慣性組合產(chǎn)生反饋信號，對不同狀態(tài)或干擾情況需單獨(dú)模擬飛行。迭代制導(dǎo)根據(jù)目標(biāo)軌道和當(dāng)前位置、速度，實(shí)時調(diào)整運(yùn)載火箭的入軌點(diǎn)、飛行程序角。運(yùn)載火箭采用迭代制導(dǎo)模擬飛行測試時，箭上計算機(jī)不僅像攝動制導(dǎo)一樣需要采集慣性器件的導(dǎo)航信息控制伺服機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)擺向，還需要采集執(zhí)行命令后的伺服機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)擺向信息反饋給慣性器件和箭機(jī)，作為下一個狀態(tài)的起始信息。迭代制導(dǎo)可以一次模擬飛行測試的多種狀態(tài)及干擾，減少測試次數(shù)［16］。

1.9 自動判讀技術(shù)

電氣系統(tǒng)一次狀態(tài)變化作為一個事件，相關(guān)數(shù)據(jù)與之綁定，專家將各種測試情況整理成測試軟件，借助計算機(jī)將測試中每個事件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與事件預(yù)先綁定的數(shù)據(jù)比對，異常則報警，并生成工作日志及測試結(jié)果［17］。隨著機(jī)內(nèi)測試技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)箭機(jī)可以監(jiān)聽總線上的所有單機(jī)進(jìn)行自動判讀，測發(fā)控系統(tǒng)使用遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動判讀，兩組不同的判讀技術(shù)可以相互輔助驗證。測試數(shù)據(jù)自動判讀技術(shù)可以提高效率，減少發(fā)射場工作人員任務(wù)量，縮短測試周期［18］。

1.10 智能控制與決策技術(shù)

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)箭機(jī)通過總線收集單機(jī)自測試信息并自動判讀，將有效減少測試人員工作量，提高測試速度。智能控制通過可見光、紅外、激光等方式的機(jī)器視覺進(jìn)行不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集；利用已有的數(shù)學(xué)規(guī)律處理日益復(fù)雜的設(shè)備、系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量數(shù)據(jù)；分系統(tǒng)、總檢查測試遠(yuǎn)程對運(yùn)載火箭進(jìn)行故障診斷、定位；發(fā)射、飛行時的自動安全控制；電氣系統(tǒng)可靠性、風(fēng)險分析；專家意見集成、建模，形成決策支持［19-21］。

1.11 其它

加強(qiáng)運(yùn)載火箭及測發(fā)控系統(tǒng)健康管理技術(shù)研究，提高其自測能力，減少人為測試項目和故障排除時間。加強(qiáng)航天發(fā)射場“兵棋推演”技術(shù)研究，提高不同運(yùn)載火箭測試發(fā)射效率，提高年發(fā)射能力。

2 航天發(fā)射場快速測試發(fā)射的思考

對航天發(fā)射場運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)專業(yè)崗位人才能力要求進(jìn)行分析，如圖1所示。測發(fā)控系統(tǒng)的技術(shù)決定運(yùn)載火箭的測試發(fā)射狀態(tài)，測試發(fā)射狀態(tài)包括靜態(tài)的各產(chǎn)品選擇、連接等，也包括動態(tài)的測試信息流程、數(shù)據(jù)變化等，分為發(fā)射試驗、日常訓(xùn)練、維護(hù)保養(yǎng)等。測試發(fā)射狀態(tài)決定專業(yè)技術(shù)人才隊伍建設(shè)、活動組織等。優(yōu)秀的人員組織有助于狀態(tài)協(xié)調(diào)更加高效，同時也將促進(jìn)運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)的技術(shù)、狀態(tài)的更新發(fā)展，促進(jìn)崗位成才，確保試驗任務(wù)向更高水平發(fā)展。

圖1 航天發(fā)射場人才能力分析Fig.1 Analysis of test and launch capability for space launch site

下面主要對狀態(tài)和組織兩個方面對運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射影響進(jìn)行說明。

減少航天發(fā)射場人員手動對火工品插頭連接及回路阻值測試。設(shè)計箭上控制器和繼電器組合的設(shè)備進(jìn)行火箭回路阻值自檢測測試，減少發(fā)射場工作人員使用外接設(shè)備測試，減少箭上地面狀態(tài)變化和恢復(fù)工作。可將技術(shù)區(qū)2 天和發(fā)射區(qū)1 天的工作壓縮到發(fā)射區(qū)10分鐘的工作量。

使用高性能電池代替現(xiàn)有的地面電源來減少脫插、脫拔、模擬電纜數(shù)量及狀態(tài)變化。減少有關(guān)地面供電的電纜，保證測試覆蓋性條件下使箭地接口電纜數(shù)量減少到個位數(shù)，進(jìn)一步減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換帶來的狀態(tài)確認(rèn)，狀態(tài)恢復(fù)工作將減少發(fā)射場十分之一以上的工作量，并與真實(shí)飛行狀態(tài)更加一致。

分系統(tǒng)測試狀態(tài)結(jié)合箭上機(jī)內(nèi)測試功能，合并測試項目，考核檢查二狀態(tài)和檢查三狀態(tài)中檢查一狀態(tài)考核不到的功能，減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

總檢查測試狀態(tài)采用閉環(huán)策略，重復(fù)性電池使用，只進(jìn)行檢查一狀態(tài)測試，對攝動制導(dǎo)和迭代制導(dǎo)在模飛時采用數(shù)據(jù)替換方式的現(xiàn)有方法改正，測試閉環(huán)控制，減少模飛次數(shù)。閉環(huán)測試可以施加干擾，考察高空風(fēng)等因素［22］。雖然減少總檢查次數(shù)，但考核飛行狀態(tài)會更真實(shí)。測發(fā)控系統(tǒng)采用健康管理狀態(tài)后，進(jìn)一步提高運(yùn)載火箭測試設(shè)備智能化水平，降低對操作人員的要求和故障排查能力的需要，減少時間精力的耗費(fèi)。

探索一種以航天發(fā)射場人員為主，扁平化、實(shí)時指揮、高效決策的組織模式。發(fā)射場人員訓(xùn)練應(yīng)保持與真實(shí)測試發(fā)射狀態(tài)一致，加大科技人才培養(yǎng)。將運(yùn)載火箭和測發(fā)控系統(tǒng)裝備到發(fā)射場，將測試工作做在平時，定時復(fù)測，日常保養(yǎng)維護(hù)。加強(qiáng)航天發(fā)射場對運(yùn)載火箭及其測發(fā)控系統(tǒng)檢測、鑒定、維修等能力的建設(shè)。

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭測試發(fā)射快速化，需做好航天發(fā)射場人才培養(yǎng)組織工作。航天發(fā)射場人才評價工作劃分尖、高、中、初四種層次，分層次評價。堅持九位一體的人才評價體系，以論文、項目、專利、著作、軟件著作權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)、競賽、教材、職業(yè)教育課程九個方面進(jìn)行人才的評價工作。督促提高專業(yè)技術(shù)人才發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。以是否有利于航天發(fā)射場全面發(fā)展建設(shè)，是否有利于人才培養(yǎng)，是否有利于航天發(fā)射場核心能力提高為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，激勵人才主動作為。

針對快速測試發(fā)射需求，做好組織評價工作。管理任何一個組織，要想健康快速地發(fā)展都需要健全高效的組織架構(gòu)、管理體系，提升活力，營造積極向上、團(tuán)結(jié)協(xié)作的氛圍。

航天發(fā)射場在串行任務(wù)逐漸飽和的情況下，繼續(xù)提高年發(fā)射能力要考慮不同運(yùn)載火箭并行測試，現(xiàn)有技術(shù)、狀態(tài)條件也將逐步支持并行測試。在組織層面要考慮組織扁平化，人員、設(shè)備、后勤在一定時期內(nèi)在不同組織流動的及時性。

3 結(jié)束語

中國航天發(fā)射活動已經(jīng)進(jìn)入高密度狀態(tài)，同一個航天發(fā)射場在同一時間段會有多發(fā)運(yùn)載火箭任務(wù)并行，而且未來會更加頻繁。航天發(fā)射場負(fù)責(zé)對火箭各系統(tǒng)進(jìn)行測試、電池充電、方位瞄準(zhǔn)、諸元裝訂并實(shí)施發(fā)射。測試發(fā)射工作是航天發(fā)射場的中心工作，是航天活動的基礎(chǔ)工作，工作重要且任務(wù)繁重。研究運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)、狀態(tài)和組織，有助于航天發(fā)射場中心工作的開展，有助于滿足中國日益繁重的航天活動需求。