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我国正在研制智慧火箭 将提高发射成功率

2020-10-13 07:26:57

据微信公众号“中国运载火箭技术研究院”10月13日消息,近年来,我国运载火箭高密度发射已呈常态化,屡屡成功,但飞行故障甚至飞行失利也偶有发生。对这些案例进行分析后,技术人员发现,如果箭上能够具备故障诊断和自主飞行的能力,也就是让火箭有智慧、更聪明,在故障发生时,自主进行稍许调整,飞行结果便能大幅改善,飞行任务将更加可靠。如何实现从传统的按照飞行程序自动飞行,到自主化飞行的跨越,完成火箭技术的更新换代,是当前运载火箭发展中的迫切需求,也就是火箭院正在致力研究的智慧火箭技术。

某型号火箭顺利发射

2018年底,火箭院发布《人工智能发展规划》,以此为牵引,首次明确提出了“智慧火箭”的概念。从2018年至2020年,一批具有初步智能化飞行特征的技术取得了实质性进展,其中有两方面的技术取得了重要成果。

成果一:射前-12小时无人值守

这项技术我们之前详细介绍过,近期又有了新的进展。火箭院15所副主任设计师张振华介绍,大口径低温密封技术作为无人值守关键技术之一,其密封性能影响着加注安全,也为总体无人值守方案的顺利实施奠定基础。此项技术已于2020年7月完成了系列验证试验,并完成了液氮温区的密封性能试验,近期将开展液氢温区的性能试验。液氢比液氮沸点更低,密封难度更大,对产品要求更高。

液氮温区密封试验现场

成果二:火箭自主性故障诊断

和轨迹重规划

这是智慧火箭领域的一次重大突破。火箭院总体设计部和12所分别进行了相关技术的攻关研究。总体设计部智慧火箭项目总体设计人员程兴介绍:现在的火箭都是按照设计好的预定策略和轨道飞行,一旦飞行过程中出现故障将有可能导致任务失败。而智慧火箭是有智商的,在出现故障时能够自动辨识出来,并且根据辨识的结果主动更改策略,依据实际情况自身进行重新规划,可以说,火箭变得更聪明了。

对于这个问题,总体设计部开展了飞行过程中的全箭故障诊断和在线轨迹规划技术研究。在运载火箭飞行过程中,监测飞行动力学参数,如果发现主发动机出现推力下降或消失等故障,则根据当时的飞行速度和位置以及剩余燃料,对飞行能力进行评估,并在线完成飞行轨迹重新规划。此时,火箭将不再按预定程序飞行,而是初步具备了自主飞行的能力。目前该技术已完成地面数学和半实物仿真试验,将于近期搭载长征二号丙火箭进行飞行试验。

研究人员进行设备安装调试,准备半实物仿真试验

火箭院12所主要在火箭的控制系统智能化技术方面进行了攻关。攻关团队负责人张惠平介绍,团队针对发动机推力下降和姿控喷管常开/常闭/极性接反等故障,开展了“典型动力故障辨识与制导控制重构技术”攻关,即在动力系统出现故障时,让控制系统提供帮助,使火箭实现自救。比如:当末修发动机和姿控喷管发生故障时,火箭通过自动故障诊断、评估与重构,依然能保持姿态,稳定地高精度入轨。这项技术在2020年7月9日搭载长征三号乙Y64运载火箭,在西昌卫星发射中心成功发射,圆满完成了搭载试验验证,并将在后续飞行中继续进行飞行验证。

火箭末速修正飞行过程模拟图

而当主发动机推力发生故障时,也可以利用控制系统信息,在线辨识出是哪台发动机发生了故障以及推力的下降程度,并在线规划出新的飞行轨迹,通过制导姿控重构,使火箭进入安全轨道或降级轨道。这项技术已完成半实物仿真试验,并通过12所自研的可重复使用飞行器完成了飞行验证。

主发动机发生故障后,在线规划新的停泊轨道与降级轨道,挽救火箭任务

程兴介绍,以美国为代表的航天大国在20世纪中期已经开始了智慧火箭相关技术领域的研究,在设计之初就充分考虑了各系统可能发生的故障,并采取了一定的自主飞行备份措施。2012年Falon9火箭发射,之后的德尔塔4火箭发射,都出现了飞行中发动机推力下降的故障,由于均采用了不同程度的箭上故障诊断和轨迹重规划技术,最终没有影响主要任务,成功将载荷送入轨道。

德尔塔4火箭发射升空

借鉴了航天大国在智慧火箭领域先进的设计理念和成功案例,经过两年的刻苦攻关,火箭院的智慧火箭项目取得了阶段性成果。智能化飞行技术支撑了火箭技术的进步,未来的火箭将逐步过渡到自主、智能化飞行,是智能设计、智能生产、智能测发、智能飞行、智能管理(过程控制)相结合的有机整体,是传统火箭与新一代信息产业之间发生的剧烈的“化学反应”。相比传统火箭,智慧火箭成本更低、参研人员更少、效率更高,可进一步实现我国运载火箭可靠性的跨越式提升。

未来的重型运载火箭将集中体现智慧火箭的设计思路和研制模式(来自网络)

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来源:观察者网 | 责任编辑:于文凯
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