關于我國智慧火箭技術的發展與思考

王剛 樊忠澤 劉岳國 牛子剛（中國酒泉衛星發射中心）

隨著國防經濟發展的需要，我國超高密度發射任務已呈常態化，雖捷報頻傳，但因飛行過程中發生故障導致飛行失利的情況也時有發生。對飛行失利的案例進行分析研究后發現，如果火箭具有一定“智慧”，在故障發生時，可自主分析并進行相應調整，將大大提高任務成功率。這說明現有火箭技術已無法適應我國目前航天任務高密度、快速發射的需求，智慧火箭技術是解決該矛盾的有效途徑。另一方面，以計算機、大數據等為代表的新領域、新技術取得跨越式成就，將引發影響深遠的產業變革。因此，新型運載火箭如果要實現質的突破，就必須與新興領域技術實現交叉融合，所以智慧火箭是未來火箭技術的首選。

1 智慧火箭的概念

中國運載火箭技術研究院李洪研究員于2017年首先提出“智慧火箭”這一概念，認為智慧火箭的本質是“運載火箭＋創新”，其發展方向是傳統運載火箭與新一代信息與制造技術的結合，其表現形式是“智慧火箭=智能研制+智能產品+智能制造+智能過程控制”[1]。中國運載火箭技術研究院彭越總師也指出，未來智慧火箭將是智能設計、智能生產、智能測發、智能飛行、智能管理相結合的有機整體,是傳統運載火箭與新一代信息技術產業產生的劇烈“化學反應”[2]。2018年，中國運載火箭技術研究院北京航天自動控制研究所的“智慧火箭控制技術”項目立項，這項研究旨在使火箭變得更加“聰明”，即便在飛行過程中遇到故障也能自救，進一步提高運載火箭的成功率。2018年底，中國運載火箭技術研究院發布《人工智能發展規劃》，以此為牽引，明確提出了“智慧火箭”的概念。長征三號甲系列運載火箭總師姜杰院士于2019年的“國際宇航科學院中國院士助力創新發展研討會”上介紹，未來的智慧火箭將像人類這樣的智能體一樣具有會聽、會看、會學習、“越飛越聰明”的特點。國外雖然故障診斷、自動測試和可重復使用等新技術研究應用領先于我國，但是還未提出“智慧火箭”這一概念。綜合而言，智慧火箭技術包含了火箭的設計、制造、測試、發射、飛行、過程管理控制等諸多方面。

2 智慧火箭的特征

智能化自主控制

目前，我國現役運載火箭還不具備飛行任務自主重構的能力，且故障診斷處理技術也不成熟，控制體制僅能依靠系統的冗余容錯等技術包容全箭出現故障引起的小偏差問題；但在全箭飛行過程中出現較大故障時，如發動機故障時，則不能更好地適應[3]。

智慧火箭的智能自主控制能力是解決上述問題的有效途徑，也是智慧火箭技術的核心特征。智能自主控制能力要求智慧火箭具備自主故障檢測、故障定位和隔離、自適應控制、在線軌跡規劃等能力,以入軌為終極目標,提高任務成功率。智能自主控制能力的核心是，在故障診斷的基礎上，利用全箭級的綜合信息管理系統，實現應對非災難故障的應急制導模式及策略，實現在線調整增益的自適應控制，實現冗余動力及推進劑智能管理，提升火箭對飛行中全箭級故障的自主適應能力，提高飛行可靠性。

國際上部分現役火箭具備一定的智能自主控制能力，但能力水平的高低不同。國外部分型號的智能自主控制能力水平比較高，如美國土星－5（Saturn－5）運載火箭曾2次在發動機發生故障時仍成功將“阿波羅”（Apollo）飛船送入了預定軌道；正在研發的“航天發射系統”（SLS）可利用自適應巡航控制（ACC）算法，根據控制品質在線調整增益，擴展了SLS火箭對典型故障和飛行異常的適應性；2020年3月18日，獵鷹－9（Falcon－9）在一個引擎突然熄火的情況下，利用動力重構技術和在線規劃航線技術，仍然將60顆衛星送入預定軌道[4]。我國部分現役火箭如長征五號、長征二號F和快舟一號A等型號，具備的智能自主控制能力水平較初級，僅具有分系統級別的信息綜合管理能力和被動適應故障的能力，但故障診斷后進行參數調整、重新規劃彈道的智能控制能力還不具備，后續可通過融合云計算、數據挖掘等領域的最新研究成果實現突破。

美國土星－5火箭（來源：NASA）

智能化信息傳輸

智慧火箭的智能自主控制能力，要求火箭各系統之間進行大量、高速的信息交換。目前主流的1553B總線，無論從站點數、通信距離、傳輸速度等方面均無法滿足智慧火箭的要求。在試驗階段的以太網技術、光纖通道等新型總線技術，雖然解決了傳輸速度和傳輸距離等問題，但是電纜連接器仍較多，電纜仍較長，可靠性和結構質量方面沒有根本性改善[5-7]。

因此，智慧火箭最理想的信息傳輸系統應該是無線傳輸與無線供配電相結合的無纜化信息傳輸系統，綜合利用無線保密通信、無線供電和無線測控技術，保證安全和保密的同時，實現數據海量、高速傳遞；降低電氣系統成本的同時，大幅降低電氣系統結構質量和故障發生率。

信息傳輸智能化是智慧火箭技術的重要前提，但目前全箭無纜化的智能信息傳輸方式距離實際應用還有相當距離?；鸺郎y量系統正逐步實現無纜化，已搭載無線傳感器系統的火箭有我國的長征三號乙、捷龍一號，零壹空間-X0（OS-X0）和天行一號火箭，歐洲的阿里安－5（Ariane－5）火箭，日本的“可重復使用運載器”（RLT）[8]。無線供電技術應用在運載火箭中還沒有被公開報道，目前只是在衛星領域有相關技術探索[9]。要想實現信息傳輸智能化的快速發展，需要加快相關行業標準的制定，促進交叉領域研究。

智能化測試

航天器測試一般通過產生一系列的輸入或激勵和測試輸出值來驗證系統是否滿足要求。我國現有主流測試技術仍以人工測試為主，測試要花費大量的人力和時間，還經常出現人工判讀疏忽導致測試不充分的問題。這種測試技術也無法適應智慧火箭大數據量、高度智能測試需求[10]。同時，發射任務越來越密集，傳統測試發射模式的潛力已經挖掘殆盡，迫切需要從技術創新上縮短人力和時間的投入，實現快速發射。

日本“艾普斯龍”火箭（來源：JAXA）

為了實現火箭自動化、無人化、智能化測試，智慧火箭需要匹配相應的智能測試系統，揚棄現有測試模式，即不再區分單項、分系統、匹配、總檢查測試，而是按系統功能特征進行時序、飛控軟件、部件特性等的并行測試，輔以數據挖掘功能實現故障自診斷，加上智能化地面測試發射控制技術，實現高度自動化、快速、遠距離的測試發射控制。系統級的自檢測可借助智能化機內測試（BIT）技術實現，利用內部設計的一些自檢測電路和軟件，為系統或單機設備提供快速自動檢測，診斷故障并隔離故障。并行測試主要是通過提高單位時間內被測對象及參數數量，來解決智慧火箭海量數據的處理問題，提高測試效率。故障自診斷的實現可利用已有的“專家系統”為基礎，集成大數據技術、深度學習技術和人工智能技術，實現故障診斷功能的高度智能化；對運載火箭測試數據進行實時自動分析、診斷推理，實現對故障的實時檢測和診斷定位，并能輔助技術人員進行故障排查解決，將故障影響降到最低，提升運載火箭的測試效率；同時，基于大數據技術，對相關型號的所有地面試驗、飛行試驗數據進行集中管理，并利用深度學習技術進行系統的自學習，不斷提高故障診斷和數據診斷的智能化，解決臨界狀態判斷難的問題。智能地面測發控技術可利用集成測試、遠程發射支持技術、數據自動診斷等功能實現發射場前端的無人化，測試發射的自動化和智能化，甚至實現一鍵化操作，大大減少火箭在發射場的測試時間和各種資源的投入，真正解決高密度發射任務的制約因素。

國際上，部分現役火箭型號已經具備了一定程度的自動化測試和遠程測試發射的智能化測試能力，比較有代表性的是美國的獵鷹－9和日本的“艾普斯龍”（Epsilon）火箭。獵鷹－9通過先進計算機技術和以太網技術實現了自動化測試及測試數據的綜合處理，采用基于網絡信息化的遠程發射支持系統，實現了前后方人員的優化配置和發射任務的快速響應[11]?！鞍账过垺眲t運用人工智能技術支持的自主測試技術對運載火箭狀態進行判斷，并進行故障檢測及故障隔離，實現了火箭自動狀態檢測功能；另外，“艾普斯龍”還采用了新型地面測試發射控制技術體系結構，使火箭的測試和發射控制僅使用1臺筆記本電腦，通過網絡就可以在世界上任何地點任何時間完成。目前，我國運載火箭電氣設備的單機BIT能力、系統級自動測試和自動故障診斷能力不足，出廠及發射場測試時間周期長，現場人員多[1]，但部分新型火箭也實現了地面測發控一體化、數據自動判讀和部分故障自診斷功能。隨著行業標準的制定和發射場更加智能化，我國火箭的遠程測試發射水平會有較大提升。

可重復使用

智慧火箭是面向未來超高密度發射形勢的全新火箭概念，因此，不僅技術上要有飛躍式的創新，發射成本也必須突破傳統火箭極限。這兩個互相對立的要求是傳統火箭無法解決的矛盾，只有通過重復使用這一技術才能完美解決?！翱芍貜褪褂眠\載器”是相對于“一次性運載器”而言的概念,指火箭從地面起飛完成預定發射任務后,全部或部分返回并安全著陸，經過檢修維護與燃料加注,可再次執行發射任務[12,13]。在航天發射中，火箭燃料成本只占總成本的2%，大部分成本都集中在火箭使用后拋棄的箭體、發動機及電氣設備等。一次性運載火箭的發射成本為1萬～2萬美元/千克，而采用可重復使用技術的獵鷹－9發射成本可降至5000美元/千克[14]。

美國獵鷹－9火箭（來源：SpaceX）

智慧火箭可重復使用技術主要通過一子級、二子級和整流罩等艙段的多次回收使用分攤費用，降低火箭的生產與發射成本。另一方面，回收火箭還能避免火箭殘骸造成的人員傷亡和經濟損失，可以減少火箭發射的制約。因此，從降低發射費用和提高安全性考慮，可重復使用能力也是智慧火箭區別于傳統火箭的一個重要特征[14,15]。

可重復使用技術的基礎是實現對落點的精確控制，其中影響力比較大的試驗是美國太空探索技術公司（SpaceX）在“獵鷹”系列火箭上進行的傘降回收和垂直起降回收的試驗，以及我國2019年在長征二號丙運載火箭上的一級火箭落點精確控制試驗?？芍貜褪褂眉夹g的重要里程碑就是運載器的回收再利用，美國航天飛機是世界上第一款實現可回收并能部分重復使用的航天運載器。而使可重復使用技術成為熱點的事件是，2015年SpaceX公司的獵鷹－9以垂直降落的方式在海上平臺成功回收，至此，各航天強國都開始提出“可重復使用運載器”的研發計劃[16-18]。

3 關于我國智慧火箭技術發展的思考

需盡快制定相關技術標準

智慧火箭技術是各種顛覆性技術的集大成者，涉及到航天、先進材料、計算機、通信和大數據等諸多領域，需要整合相關行業力量發展交叉技術，可以帶來極大的社會效益。為了保證研制生產力量的集中投入，我國迫切需要制定相關行業標準。

1）通過智慧火箭技術標準提供的統一平臺，促進相關領域的學術研究成果迅速快捷地過渡到生產領域，轉化為現實生產力。

2）通過智慧火箭技術標準的引領，促進各領域相關產品結構和產業結構的有效調整，使資源合理利用，簡化生產技術。

3）通過智慧火箭技術標準的科學制定，實現科學管理并提高管理效率，穩定和提高相關產品、工程和服務的質量。

4）通過智慧火箭技術標準的強制要求，保證各個行業、產業的高度統一性和協調一致，實現產品的通用互換及標準的協調配套，解決智慧火箭技術面臨的高復雜度問題。

質量控制智能化

智慧火箭研發、生產、測試過程中將產生海量、繁雜的數據，現有質量控制手段無法實現對該數據的有效發掘和利用。同時，高度的自動化使得現有統計手段無從下手。因此，質量控制體系也要跟上火箭技術智能化發展的腳步，合理運用現代數據采集管理技術，在現有質量控制機制基礎上，發展“智能化”質量控制體系。結合我國國情，具體可從以下幾方面開展研究。

1）利用大數據技術，通過高速捕捉、發現和實時分析，從智慧火箭海量、繁雜的數據中發現參數的關聯，識別潛在隱患。

2）利用云服務、物聯網、電子標簽等技術，實現對全過程數據的信息化、統一管理，破除系統壁壘導致的信息流通不暢問題，為更高級別的故障分析奠定基礎。

3）充分利用深度學習等人工智能技術，以數據信息化、統一管理為基礎，代替人工實現對整個過程的質量自動化控制，可以輔以關鍵節點的人工介入，實現質量控制和火箭研發、生產、測試過程的完美契合，減少質量控制的時間成本和人工成本。

發射場智慧化

智慧火箭集成度高、技術新，對發射場的自動化程度、智能化水平也有較高的要求。目前，我國主要發射場的測試發射自動化水平還比較低，無法適應智慧火箭的自動化測試和快速發射需求。并且，信息應用的智能化水平也不足，信息融合度不高，交互操作困難[19,20]。因此，我國的航天發射場也迫切需要實現智慧化，以發揮智慧火箭優勢，實現航天發射能力的深刻變革。其主要途徑包括：

1）加強理論水平研究，不僅滿足于測試發射的可靠性，還要對新理論、新觀點、新思想形成系統研究成果，加強探索研究和技術儲備，推動航天發射場向智慧型轉變。

2）加大物聯網、云計算、量子通信、移動互聯、先進傳感等新技術的應用，實現地面設施設備智能化運行、發射無人化、合練數字化，具備保障快速發射和并行任務的能力，為更加快速、安全、可靠、低成本進入空間奠定基礎。

3）利用先進信息技術，打造智慧化發射場指揮管理系統，實現發射場管理和運行模式的變革，提高發射場運行效率。

技術迭代發展

智慧火箭是高度智能化的火箭，但是越智能就代表著越復雜，可能會導致可靠性的降低。同時，智慧火箭技術也是一項顛覆性技術，其研究不是一蹴而就的，所應用到的各種核心高技術代表著先進性和高成本，需處理好新技術繼承性和先進性之間的關系，在應用新技術時兼顧成本。因此，我國需要采用技術迭代發展的研究應用思路，通過同一型號的迭代發展和不同型號的并行發展分攤新技術應用風險，保證智慧火箭的可靠性。同時，充分利用好已具備條件的高新技術，盡快實現經濟效益和社會效益，并帶動尚不具備條件的技術發展研究，實現以點帶面的作用。具體可從以下幾個方面實現。

1）智能化自主控制。目前，自主故障檢測故障定位和隔離功能已有了一定的研究基礎，可加速推進該技術的實用化。在此基礎上發展全箭級的綜合信息管理系統，結合箭上計算機性能的突破，實現自適應控制和在線規劃軌跡。

2）智能化信息傳輸。某些型號已經進行了無線傳感技術飛行試驗，因此可優先發展無線測量系統，當無線通信有了新的技術突破時，再實現全箭、箭地信息傳輸的無纜化。目前，運載火箭的無線供配電技術還不太成熟，可結合技術發展逐步開展局部技術驗證，最后形成全箭、箭地間的無線供配電。

3）智能化測試技術。目前，我國在一些型號上已經實現了機內測試和數據自動判讀技術，可在此基礎上，結合大數據技術逐步推動建立全壽命、全型號的數據庫，然后利用深度學習技術發展智能數據診斷系統。

4）可重復使用技術?？衫矛F有型號進行落點控制技術的深度驗證，在此基礎上，結合新型火箭的設計進行可重復使用技術的突破。

4 結束語

智慧火箭技術代表著火箭技術理論研究、設計、生產、測試、發射等領域的深刻變革成果，是國家綜合實力的重要體現。本文僅對智慧火箭技術進行了淺層次介紹探索，希望能夠為智慧火箭技術的發展起到積極作用。