中國航天運輸系統智能飛行技術發展展望

吳燕生

(中國航天科技集團有限公司，北京 100048)

0 引 言

當前,新一輪科技革命和產業變革加速演進,航天系統工程是開放的復雜巨系統,具有系統復雜、技術密集、風險性大、研制周期長等特點,使之成為最具挑戰性和廣泛帶動性的高科技領域之一,在全球發展中的戰略地位愈發突出,成為國家戰略競爭的制高點。進入新時代以來,載人航天、月球探測、火星探測、北斗導航等航天重大工程連戰連捷,持續推動航天強國建設,以長征系列火箭為代表的航天運輸系統是支撐上述工程成功實施的基礎。

隨著世界主要航天大國和主體加速太空經濟與軍事發展,進出空間需求日益提升[1-3],2021年全球航天總發射次數達到146次,2022年持續增長達到186次,均超出1967年“冷戰”期間創下的139次的發射記錄。為了滿足日益增長的發射需求,世界航天運輸領域逐漸由“解決如何高可靠進入空間”轉變為“解決如何高效、可靠、低成本進出空間”,持續推動航天運輸系統向更優性能、更低成本、更高質量方向加速發展。其中,高質量是支撐航天運輸系統實現預定任務的前提[4]。

為實現航天運輸系統高質量發展[5],在產品設計方面,通過“總體裕度-系統冗余-單機強化”三層級可靠性設計方法提升可靠性,構筑運載火箭“良好基因”;在產品質量管控方面,堅持“源頭抓起、過程控制、零缺陷”的質量管理理念,創新質量管理方法,從精細到精益,持續發展航天質量管理體系,使用“技術、產品、操作、管理”四維度風險分析方法系統全面地進行風險辨識,從“測試、驗收、檢驗、工藝、人員”五個環節確保產品的過程質量控制。

盡管如此,要想在接近產品本質可靠性極限的情況下提升火箭飛行可靠性,需通過技術創新本質提升航天運輸系統執行任務的可靠性,轉變傳統基于偏差包絡的總體設計方法與理念,突破并應用智能飛行技術,實現智能技術與航天運輸領域的深度融合,支撐航天運輸系統實現更高質量發展。本文梳理總結了智能飛行發展歷程和趨勢,制定了適合中國的航天運輸系統智能飛行技術發展架構,以指導后續技術研究與發展。

1 航天運輸系統智能飛行技術定義

綜合當前國內外對智慧火箭的研究[6]和火箭專業技術劃分,總結定義航天運輸系統智能飛行技術為:航天運載器自身在飛行過程中實時感知與監測機體內部狀態和外部信息,基于實時能力邊界實現自主評估與決策,利用本體和外部資源開展執行與處置,適應復雜任務剖面,并持續學習與進化的技術。該技術包括智能感知與監測、智能評估與決策、智能執行與處置三個核心功能。

1.1 智能感知與監測

感知是獲取知識的前提,豐富且可靠的感知是評估決策與執行處置的基礎。智能感知與監測是通過合理布置智能傳感設備,依靠智能感知獲取飛行器動力、結構、器件、動力學等內部狀態和外部氣流、引力、空間碎片障礙物等多元信息,依靠智能算法對信息進行有效提取與處理,實現飛行過程中的狀態智能監測。

1.2 智能評估與決策

智能評估與決策是基于系統感知與監測結果,通過特性分析、風險以及剩余能力評估實現對當前飛行器狀態的精準智能評估,進而考慮復合約實現任務層級的重新規劃與決策,是實現傳統火箭從“成敗”型向“成敗+性能”型升級的關鍵環節。

1.3 智能執行與處置

智能執行與處置是指飛行器在接收評估與決策輸出指令后,利用本體算法軟件和物理執行機構與外部在軌服務飛行器等資源開展執行與處置,以改變飛行器狀態,完成飛行任務,是實現智能飛行的最后一個環節。

2 智能飛行技術發展歷程與趨勢

2.1 發展歷程與趨勢

智能飛行技術與運載火箭總體設計技術發展相輔相成,結合運載火箭總體設計技術發展歷程和趨勢[7],可將智能飛行技術發展分為四個階段,見圖1。

圖1 智能飛行技術發展四個階段Fig.1 Four stages of intelligent flight technology development

(1)自動控制飛行階段

該階段運載火箭具備基本的感知能力,僅可依靠誤差反饋實現閉環控制,并被動適應各種飛行工況,尚不具備對關鍵單機、系統的在線故障檢測能力。核心特征為基本感知、閉環控制。

國外典型代表為早期的土星IB火箭,如圖2所示,其一級布局8臺H-1發動機,但火箭能力實質上是按照7臺發動機設計的。當出現發動機故障時,依靠能力裕度被動適應動力故障。該階段對應中國運載火箭研制發展初期,型號全箭可靠性依賴于系統、單機產品可靠性保證;基于各項設計偏差,通過線性疊加、均方根疊加等方式形成極限設計包絡,當故障影響在極限包絡范圍內,火箭可有效適應;反之,則依靠系統裕度被動適應?；鸺w可靠性受制于產品可靠性和偏差包絡。典型火箭代表包括長征二號丙、長征三號甲、長征二號E等火箭,該時代研制的火箭滿足了中國航天活動從無到有歷史階段。

圖2 土星IB火箭一級發動機布局[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

該階段運載火箭感知能力擴展,具備了典型故障檢測能力,能夠通過離線設計的程序策略開展處置,有效提升了火箭針對典型故障的處置適應能力。該階段僅可檢測是否有故障,無法診斷故障類型和程度,且尚不具備全箭跨系統重構能力。核心特征為故障檢測、程序處置。

國外典型代表為美國德爾塔4運載火箭,在發動機出現故障時可依賴控制系統完成處置。2012年德爾塔4火箭發射第三顆GPS-2F衛星過程中,末級RL-10發動機發生故障出現推力下降,控制系統通過慣性器件敏感到過載變化,依靠迭代制導更新飛行軌跡,使火箭充分利用剩余燃料完成預定任務。

中國成功研制的第一型載人運載火箭長征二號F,標志著中國運載火箭智能飛行技術進入該階段。長征二號F在研制中采用提升全箭載荷裕度、箭機主從冗余、單機極限壽命試驗為代表的“總體裕度-系統冗余-單機強化”三層級可靠性設計方法提升可靠性,具備了典型故障的適應能力。此后,中國現役各類型運載火箭均據此方法進行可靠性設計,能有效適應系統內重要單機的一度故障,具備了一定的容錯能力。同時首次在火箭上設置故障檢測系統,通過總結火箭故障與飛行動力學參數的映射關系,形成“過載+姿態”的故障檢測參數和“極限偏差仿真+典型故障遍歷仿真”的故障判據制定方法,覆蓋所有需要逃逸的故障模式,具備了判斷是否發生致命性故障的能力;制定了覆蓋5個高度范圍、3種氣動外形組合的全剖面逃逸策略,在發生致命故障情況下,實現了在生理承受能力、逃逸飛行器結構完整、落區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火箭的0.91提高到0.97,安全性達到0.99,保證了中國15次載人火箭發射任務全部圓滿成功。

表1 三層級可靠性設計方法Table 1 Three-tier reliability design method

(3)增強智能飛行階段

隨著現代控制理論與電子技術的發展,增強智能飛行階段的航天運輸器具備對關鍵單機、系統的感知和狀態監測能力,可以診斷全箭、系統、單機的已知有限故障類型和程度,具備基本的評估決策能力,可以通過系統重構提升飛行適應包絡。該階段核心特征為狀態監測、系統重構。

國外典型代表為美國的航天飛機、太空發射系統以及獵鷹9火箭。該三型火箭均設計了故障診斷系統,飛行時進行狀態監測主動診斷故障,并采取處置措施。太空發射系統設計了“三臺發動機工作點”,在該時間點后,可主動關停一臺故障發動機,通過切換制導策略,盡可能進入預定軌道;對于載人任務,將通過在線評估入軌能力后,利用剩余能力及“獵戶座”載人飛船的推進能力,進入一條安全軌道。獵鷹9火箭具備飛行90 s前損失一臺發動機、90 s之后損失兩臺發動機仍可完成飛行任務的能力。2020年3月獵鷹9火箭一次飛行任務中,箭上故障診斷系統主動關停了故障發動機,依靠故障診斷和任務重規劃技術,完成了主飛行任務。不過上升段提前消耗了回收時減速所需要的推進劑,使得未能成功回收一子級火箭。通過垂直起降回收的火箭天然具備動力冗余能力,所以獵鷹9火箭對于上升段動力故障適應能力極強[9],這是帶翼回收模式所不具備的優勢。

中國對該階段的關鍵技術進行了初步探索與應用,長征三號乙運載火箭成功驗證并應用了末修發動機與姿控噴管的極性故障辨識與控制重構技術[10];在故障診斷、任務重規劃技術方面,中國在長征二號丙火箭上開展了相應的飛行搭載驗證,通過飛行動力學參數實現了飛行過程中的每一臺發動機的故障診斷,并根據火箭當前飛行速度和位置以及剩余燃料,在線評估推力下降故障后的剩余入軌能力,完成了任務重規劃技術的初步驗證[11],如圖3所示。

圖3 長征二號丙火箭飛行搭載驗證剖面[11]Fig.3 Profile of the flight carrying demonstration of the CZ-2C[11]

中國將通過研制新一代載人運載火箭邁入該階段。通過轉變設計理念,在總體設計階段面向典型故障開展了故障容錯和重構設計,設置故障診斷與處置系統,對發動機等關鍵產品實現了健康監測,應用在線任務重規劃和控制重構技術,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

面向未來大規模進出空間、探索空間和開發空間的任務需求,航天運輸系統將發展到航班化階段[12],年總飛行次數達到千次量級,形成體系化能力和規?；a業,完全重復使用、智能飛行將成為航天運輸系統的基本技術特征。

該階段航天運輸系統將有效融合人工智能技術,建立全生命周期、全系統的智能健康監測系統,實現火箭本體自主修復,具備交互式學習能力,可以通過多智能體天地協同學習、多智能體的協同重構能力,自主適應環境和本體狀態變化,具備不確定性故障適應能力。

2.2 差距分析

經過半個多世紀的發展,中國航天運輸系統主力長征系列運載火箭具備了發射低、中、高不同軌道、不同有效載荷的能力,在智能飛行方面開展了初步探索,對標國際航天運輸系統智能飛行技術發展情況,主要在三個方面存在不足:

1)智能飛行技術體系尚不完備,攻關力量相對分散。當前中國尚無明確的智能飛行技術體系,無法對中國航天運輸系統智能飛行發展與應用形成指導,導致各專業系統攻關力量相對分散,未形成有效合力集智攻關。

2)適用于復雜飛行剖面的智能自主決策算法等基礎理論整體較為薄弱。以運載火箭為代表的航天運輸領域飛行器飛行剖面復雜,參數變化劇烈,運載火箭飛行高度從地表至真空,大氣密度等外部環境參數和自身模型特性參數急劇變化,非線性特征顯著;同時,由于系統復雜,部組件眾多,僅結構系統的部組件就超過數萬個,導致故障失效模式復雜。因此,如何在復雜場景中利用有限信息進行有效分析與決策,是智能飛行技術突破所面臨的關鍵難題,其中所需要的有限計算資源下智能自主決策算法等基礎理論研究較為薄弱。

3)智能飛行技術對航天運載器總體頂層設計影響分析欠缺,總體頂層研制準則與設計流程尚需完善。智能飛行技術的變革與突破將有效推動運載火箭總體設計理念和模式的轉變。中國長征二號F載人火箭研制時建立了包括飛行可靠性、安全性完整的設計準則,使中國邁入智能飛行第二階段。當前第三階段智能飛行技術不斷突破與發展,其對運載火箭總體設計頂層準則的影響分析還不夠成熟,還需持續完善相應的研制準則與設計流程,以更好地提升總體設計水平。

3 中國航天運輸系統智能飛行技術發展架構

針對中國在智能飛行領域的差距不足,基于“發展第三階段,探索第四階段”的基本原則,制定中國航天運輸系統智能飛行技術架構,見圖4,構建由“感知與監測-評估與決策-執行與處置”組成的功能層,據此進一步細化了實現層,梳理了關鍵技術群和基礎理論。

圖4 中國航天運輸系統智能飛行技術架構圖Fig.4 Intelligent flight technology architecture of China’s space transportation system

3.1 智能感知與監測功能

智能感知與監測主要包括多元跨域信息感知、信息智能傳輸、智能健康監測等關鍵技術。

(1)多元跨域信息感知

在傳統的過載、角度、壓力、溫度、電壓等傳感器基礎上,具備多元跨域信息感知能力。一方面豐富信息感知的種類,研制應用氣流傳感器等大氣測量裝置,研究分布式光纖應變傳感器,實時獲得全箭攻角、載荷、模態以及外界大氣密度、溫度等多元信息;另一方面突破跨域信息感知技術,除了飛行器自身傳感器感知數據以外,連通互聯網星座、空間環境監測平臺,實時獲取飛行剖面、空間環境等數據監測,為其他技術與功能模塊提供基礎信息。

(2)信息智能傳輸

針對以往1553總線傳輸中站點數、通信距離、傳輸速度等方面受限問題,目前在研的實時以太網、光纖總線等技術,雖然解決了傳輸帶寬和傳輸距離等問題,但是電纜安裝等限制仍無法適應智能感知末端大幅增長的需求,突破LED可見光無線通信、無線通信攜能等技術,搭建無線智能傳輸網絡,以無線傳感器為端節點,以智能信息調度模塊為中樞,全面提升全箭信息交換的數據帶寬和應用靈活性,為智能飛行技術要求的大數據感知、傳輸、計算等需求提供基礎支撐,見圖5。

圖5 無線傳感網絡方案示意圖Fig.5 Wireless sensor network scheme

(3)智能健康監測

運載火箭屬于強耦合、高動態的復雜系統,狀態空間復雜,故障后傳播和系統演變機理復雜,一方面導致狀態監測難度增加,另一方面也為我們由不同參數、不同系統對狀態進行聯合確認提供了可能。通過研究基于多元信息融合的智能健康監測技術,融合力、熱、電、動力學等多元信息,實現從單一要素感知向組合要素智能感知的轉變,見圖6。同時研究基于信號處理、解析模型、知識的多種診斷方法,實現多類多維度信息、多方法聯合監測確認,可降低誤診率和漏診率,本質提升健康監測的可靠性和準確性;通過深度學習等智能算法實現對火箭狀態發展的趨勢預測,將為在傳播失效速度在秒級的“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測Fig.6 Multi-information fusion of the intelligent health monitoring

(4)剖面管道預警

未來近地軌道空間基礎設施建設將持續推進,航天發射頻次將呈幾何級數增加,航班化的航天運輸系統需突破空間環境跨域感知技術,通過天地協同實時監測管道內異常氣象、空間碎片等環境信息,為箭上智能評估與決策提供基礎的環境預警信息。

3.2 智能評估與決策功能

智能評估與決策主要包括頻率特性評估、剩余能力評估、系統風險評估等關鍵技術。

(1)頻率特性評估

運載火箭系統復雜,頻率管理問題格外重要,在全箭光纖應變傳感器等感知信息基礎上,研究羽流光譜分析、深度學習等先進技術,實現對發動機、箭體結構等關鍵產品的模態頻率快速提取分離,在線評估頻率耦合情況,為頻率綜合管理提供基礎。

圖7 基于卷積神經網絡的模態提取技術Fig.7 Modal extraction technique based on the convolutional neural network

(2)剩余能力評估

當運載火箭出現故障時,需要對兩個核心能力進行評估,一是質心運動層面的運載能力,二是繞質心運動層面的姿態控制能力。

在剩余運載能力評估方面,依據剩余液位信息在線評估最大可用能量,依據全箭狀態信息實現入軌運載能力的量化評估,為任務重規劃決策提供基礎支撐。在姿控能力評估方面,由于飛行器故障系統狀態偏離標稱狀態較大,需對姿控系統的剩余控制能力、狀態可達范圍、最大擾動適應能力、系統穩定裕度進行量化評價,突破基于不變集理論的輸入受限收斂區間估計、基于狀態有界的受限系統擾動抑制等基礎理論,為控制重構提供基礎支撐。

(3)系統風險評估

飛行過程中,不論是正常還是故障工況,都需要在健康監測的基礎上實時智能評估動力、結構等系統運行風險,并進行狀態風險預測,保證在非標稱飛行剖面下動力、結構等系統狀態正常,風險可控。

圖8 控制系統最大擾動抑制能力評估Fig.8 Evaluation of maximum disturbance suppression capability of the control systems

(4)多約任務重規劃

出現故障后,運載火箭依據剩余能力評估結果,考慮飛行載荷約、落區約等限制條件,規劃可達的最優目標軌道和過程飛行軌跡,解決故障后火箭飛到哪的問題。該項技術涉及可用于飛行箭載終端的快速智能優化算法、最優控制等基礎理論研究。

圖9 火箭任務重規劃對應的最優控制問題Fig.9 Optimal control problems for the rocket mission reprogramming

3.3 智能執行與處置功能

智能執行與處置主要包括頻率綜合管理、控制智能重構和多智能體協同重構等。

(1)頻率綜合管理

通過頻率特性評估結果,確定頻率耦合類型,智能采用相應頻率管理措施。對于結構-控制頻率耦合問題,突破箭上自適應陷波濾波技術,衰減異常頻率,阻斷頻率耦合通路;對于結構-動力頻率耦合問題,突破動力系統頻率自適應調節技術,實現能量吸收及錯頻處置。

(2)智能控制

研究自適應控制、參數辨識等基礎控制理論,突破大長細比火箭彈性自適應控制、神經網絡容錯控制、擾動自適應補償控制、控制指令智能分配、控制參數在線智能調節、自適應制導、故障火箭剛晃彈穩定控制等關鍵技術,使火箭正常飛行時具備對外部擾動在線估計與補償、飛行狀態關鍵參數智能辨識等能力,提升控制品質與剖面適應性;并具備故障工況時控制系統的制導、姿控系統自適應重構能力,保證運載火箭的質心和繞質心運動控制的精確性和穩定性。

(3)系統智能重構

研究運載火箭電氣、動力等系統智能重構技術。正常飛行時實現電氣系統單機功耗智能管理技術,實現功率智能變頻調節,優化全箭電氣能源管理;電氣系統單機出現故障時,在單機通用化基礎上,優化重構電氣系統數據流結構,確定該模式下的最優重構目標單機,通過系統遷移技術,在正常的目標單機上部署并運行故障單機的功能軟件,利用軟件定義硬件功能實現電氣系統智能重構,確保系統功能正常。故障后動力系統除了進行簡單關機處置外,研究突破其內部隔離與組件重構技術,一方面提升其正常工況下的可靠性和故障后安全性,另一方面實現動力系統內部的自重構,豐富動力系統故障處置手段。

(4)多智能體協同重構

突破多智能體在軌智能交互、載荷移交技術,實現多智能體協同任務重構。故障飛行器執行目標降軌后處于停泊軌道穩定運行,此時在軌服務飛行器可變軌機動至故障飛行器,依據故障飛行器健康狀態,可實施在軌補加使故障飛行器繼續完成任務。若故障飛行器已不具備任務執行能力,則可通過在軌對接載荷移交技術,由在軌服務飛行器繼續完成任務,將任務執行主體由個體轉變為多智能體,通過協同重構實現任務可靠性的跨越式提升。

4 智能飛行技術對總體設計影響

智能飛行技術將有效提升中國航天運輸系統飛行可靠性,增強航天運載器對偏差、故障和環境的適應性,其對航天運載器總體頂層設計準則、流程均有一定影響?，F階段中國運載火箭總體設計遵循極限偏差包絡設計準則,基本內容為在基準任務剖面基礎上,綜合考慮偏離各系統標稱性能指標的3σ偏差限,通過偏差組合拉偏拓展任務剖面,并據此完成總體、系統以及單機的具體設計。為了實現智能飛行技術應用,需完善以運載火箭為代表的航天運輸系統設計準則:在開展具體方案設計前,首先梳理各層級典型故障,隨后各層級針對典型故障開展設計;面向典型故障開展方案設計應適當縮小設計偏差限λσ,以兼顧性能損失、經濟成本以及周期約。兩種設計準則的比較見圖10。

圖10 兩種設計準則的比較Fig.10 Comparison of the two design criteria

在頂層準則約下,進一步完善運載火箭的構型論證、總體多專業回路設計等流程:構型論證流程中,構型應選用合理推力量級、合適臺數的發動機進行動力冗余設計,做好動力冗余與可靠性設計之間的平衡;總體多專業回路設計流程中,在各專業設計環節注入相應的典型故障,開展故障設計與校核工作,優先調整下游專業設計,避免上游專業的反復。

圖11 運載火箭總體多專業回路設計流程圖Fig.11 General multi-disciplinary loop design framework for launch vehicles

5 總 結

智能飛行技術是實現航天運輸系統高質量發展的重要途徑,通過制定中國航天運輸系統智能飛行技術架構,為系統提升中國航天運輸系統的智能飛行技術攻關與應用提供指導。為了盡快邁進智能飛行第三階段、達到國際先進水平,短期內需重點推動頂層總體設計準則與流程落地,并配合設計標準的修訂和更新,確保新研型號的總體設計的優良基因;同時集智攻關,組織優勢力量加快推動“健康監測-剩余能力評估-任務重規劃-控制重構”等關鍵技術在型號上的閉環應用,初步實現智能飛行技術“感知與監測-評估與決策-執行與處置”三項核心功能的落地應用。

當前隨著常態化、航班化進出空間需求日益提升,需將航天運輸系統重新回歸運載工具本質特征,充分考慮飛行任務剖面參數的快速變化與未知性,通過智能飛行核心技術的進步,配合低成本重復使用、高性能組合動力等技術的應用,實現真正意義上的航班化進出空間,支撐航天強國建設,為中華民族偉大復興匯聚民族力量。