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2035年將是智能運載火箭的時代。
通過智能技術賦能，運載火箭將具備感知、學習和環境自主適應能力，滿足高效、可靠、適應複雜任務進出空間需求，成為航天強國建設的堅實基礎之一。
目前，我國正在開展“智慧火箭”研製工作，主要技術目標是火箭飛行遇到重大故障後，根據火箭狀態及時對飛行路徑進行智能重規劃，儘可能挽救任務。10月26日，在長徵二號丙運載火箭發射任務中，我國“智慧火箭”相關技術實現了首次飛行驗證。
驚心動魄，國外運載領域的故障扭轉史
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“土星-1”號火箭
運載火箭系統組成複雜、產品數量眾多、工作環境惡劣，具有典型複雜系統的特徵。根據國外運載火箭發展規律，隨著技術複雜度的增加和試驗子樣的增多，運載火箭研製和飛行中逐漸暴露出各種故障模式，給飛行安全帶來一定影響。
從運載火箭實際飛行情況來看，即使發動機出現重大故障，也並非一定是瞬時和災難性的，而是有變化過程的，這為遏制故障的發展提供了可能。如果火箭具備故障診斷和自主飛行的能力，在故障發生時自主進行稍許調整，飛行結果便能大幅改善，飛行任務將更加可靠。
針對箭上關鍵產品和系統的典型故障模式，通過頂層故障適應性設計實現故障檢測、隔離和處置，是提升運載火箭固有可靠性的有效措施，在國外已經得到廣泛應用。
1964年5月28日，美國“土星-1”號火箭飛行117秒時，1臺H-Ⅰ發動機突然提前關機，火箭依靠剩餘7臺發動機並通過調整關機時間，使S-Ⅳ級按原計劃進入預定軌道。據悉，“土星-1”號一子級裝有8臺H-Ⅰ發動機，而實質上是按7臺發動機推力來設計的，第八臺發動機旨在提高子級工作可靠性、提升任務適應性。“土星-1”號火箭在第四次飛行試驗中特意考核了這一冗餘設計的性能。與此同時，火箭控制系統相應地配套迭代制導軟件包，具備在動力系統發生故障時終止任務或更換任務的能力。這一設計使得火箭在一級或二級單臺發動機出現故障時，仍具備完成原定任務或是降級任務的能力。
2012年10月7日，美國SpaceX公司從卡納維拉爾角空軍基地發射了一枚獵鷹9火箭。在火箭一級飛行至約79秒時，9臺“隼”發動機中的1臺壓力驟降。控制系統立即發出關機指令，另外8臺發動機多工作了近30秒以彌補推力損失。此外，箭上飛行計算機依靠故障重構控制技術，重新實時計算了新的上升軌跡，最終成功地將主要載荷“天龍座”飛船送入軌道，並完成後續與國際空間站的對接，主飛行任務沒有受到影響。通過動力冗餘設計和在線重構技術，獵鷹9火箭能夠適應地面起飛時1臺發動機故障、飛行一段時間2臺發動機故障工況。
2012年10月4日，德爾塔4運載火箭在發射第三顆GPS-2F衛星過程中，上面級RL-10發動機發生故障，推力下降。但是，箭載計算機通過控制系統在線生成了新的飛行軌跡，對其推力下降進行了補償，使火箭充分利用剩餘燃料完成了後續飛行任務，將載荷送入預定軌道。
2010年12月5日，俄羅斯質子M火箭攜帶3顆格洛納斯導航定位衛星發射升空，衛星未能進入預定軌道。經分析，此次失利的原因是採用了新的上面級貯箱後，由於技術狀態協調不足，採用原有加註流程後使得氧化劑加註超出額定值約1.5噸。在2016年的國際宇航大會上，俄羅斯專家曾指出，若火箭通過故障診斷判斷出飛行過載異常，及時開展在線任務規劃，選擇新的基礎級與上面級交班條件，將上面級送入一個高度略低的軌道，不僅火箭不會墜毀，而且上面級可以利用自身的變軌能力將衛星送入預定軌道。
通過以上案例不難看出，以美國為代表，國外運載火箭在設計之初大多開展了針對動力系統故障模式的全箭級重構技術研究，在飛行中出現故障時，運載火箭仍儘可能利用全箭剩餘能力去完成飛行任務。這樣的設計理念對我國運載火箭的設計具有重要的啟示作用。2010年俄羅斯質子M火箭雖然並非是一個成功拯救任務的案例，但其航天專家的認識和指出的問題與我們不謀而合。
未來可期，中國智慧火箭研製成果初現
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我國運載火箭事業起步於20世紀。經過半個多世紀的發展，我國長徵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，實現了從使用常溫推進劑到使用低溫推進劑、從串聯式到捆綁式、從“一箭一星”發射到“一箭多星”發射、從常規推進劑到綠色推進劑等的漸進式發展，大大推動了經濟社會的發展。
近年來，我國運載火箭高密度發射已成常態化，屢屢成功，但飛行故障甚至飛行失利也偶有發生。技術人員分析後發現，在某些系統出現故障時，全箭都是依靠標準任務剖面設計餘量去“硬扛”，火箭未有自主故障診斷及任務重構能力，以至於關鍵系統出現一點小問題就會給飛行任務造成重大影響。
因此，開展故障適應性設計，實現由基於偏差設計向基於故障設計的研製模式轉變，全面提升任務可靠性的需求十分迫切。這也是目前航天科技集團大力推動智慧火箭研製工作的主要原因。
提前佈局，明確方向堅持不懈
運載火箭故障診斷及智能飛行技術乃至智慧火箭技術的發展應用，與全箭總體、系統、單機設計密切相關。我們要推廣真正意義上的智慧火箭，目前仍存在著很多問題，例如原創性理論基礎薄弱、核心技術儲備不足和新研製模式下系統集成驗證不足等。未來，我們要充分挖掘現有技術潛力，同時進一步明確智慧火箭的發展需求，針對核心關鍵技術和共性關鍵技術提前佈局，包括智能傳感技術、箭上健康監測與故障診斷技術、任務重構技術、控制重構技術等，最終打造總體牽引、有序推進、長效發展的研製模式，並形成一系列符合新時代應用需求的智慧火箭產品。
從運載火箭飛行智能化的設計方法與理念維度來看，目前我國運載火箭的技術發展經歷了多個研究階段。
在我國運載火箭研製發展初期，傳統型號針對設計偏差採用極限包絡設計，全箭可靠性依靠各系統及單機可靠性保證，對超出設計工況的故障依靠系統餘量去保證，適應性較弱。
隨著載人航天工程的發展，長徵二號F運載火箭在研製中採用伺服閥三冗餘、箭機主從冗餘等手段，具備了有限故障的吸收能力，此後我國現役各類型運載火箭均實現了控制迴路硬件系統級冗餘，能有效適應系統內重要單機的一度故障，結構、增壓輸送、動力等系統也通過可靠性設計具備了一定的容錯能力。但是，這些容錯能力一般限制在各系統內，尚不具備全箭級故障診斷和容錯重構的能力。
發射“神舟九號”的長二F火箭 宿東 攝
在下一代運載火箭研製中，我們將設置專門的故障診斷系統，對發動機等關鍵產品進行實時健康監測，通過關鍵產品的故障診斷和全箭飛行參數聯合分析來診斷並隔離故障，並開展在線任務級重構和系統重構，以大幅提升應對故障的能力。面向下一代載人運載火箭更可靠、更安全的任務需求，我們將結合人工智能與信息融合技術，實現“待發—起飛—飛行—軌道轉移”全剖面全方位、全系統多參數的智能化設計。
總而言之，未來我們將建立起運載火箭全生命週期的智慧健康監測系統，屆時將實現貫穿於運載火箭設計驗證、生產製造、測試發射和飛行試驗全生命週期的狀態監測，火箭系統可在線智能重構，具備不確定性故障適應能力。
科學驗證，強調核心關鍵技術
智慧火箭故障診斷和智能飛行技術將給我國運載火箭帶來新的技術革新和變革。為確保這些新技術在應用過程中的可靠性和安全性，我們需著重開展核心關鍵技術試驗驗證，在充分地面仿真試驗的基礎上，儘可能開展飛行搭載、飛行演示驗證等，以提升技術成熟度，為型號實際應用做好技術儲備。其中，航天科技集團一院總體部和12所均朝著這個目標開展了相應的研究工作。
總體部開展了飛行過程中的全箭故障診斷和在線軌跡規劃技術研究。該研究的重點是監測運載火箭飛行過程中的動力學參數，如果發現主發動機出現推力下降或消失等故障，則根據當時的飛行速度和位置以及剩餘燃料，對飛行能力進行評估，並在線完成飛行軌跡重新規劃。此時，火箭將不再按預定程序飛行，而是初步具備了自主飛行的能力。
今年10月26日，長徵二號丙運載火箭在西昌衛星發射中心發射成功。在本次飛行任務中，整流罩傘控系統中搭載驗證了主動力段故障診斷技術和在線任務重構技術，搭載試驗達到了全部驗證目標，形成了一套具有工程實用意義的運載火箭主動段故障診斷技術和在線任務重構技術，為長徵火箭進一步開展智能飛行技術研究奠定了堅實基礎。
長二丙火箭 張旖旎 攝
12所主要在火箭的控制系統智能化方面進行了技術攻關。該所針對發動機推力下降等故障，開展了“典型動力故障辨識與制導控制重構技術”攻關，即在動力系統出現故障時，讓控制系統提供幫助，使火箭實現自救。今年7月9日，長徵三號乙運載火箭搭載驗證了末修發動機與姿控噴管的故障辨識與制導控制重構技術，驗證了技術方案的正確性，目前該技術已在型號中成功應用。12月22日成功首飛的我國新一代運載火箭長徵八號也採用了該技術。我國智慧火箭研製成果初現。
長徵八號火箭 宿東 攝
此外，12所針對發動機故障診斷及制導姿控重構技術，也開展了技術研究和研製。
統籌融合，打造技術協同生態
智能化飛行技術支撐了火箭技術的進步，未來的火箭將逐步過渡到自主、智能化飛行，智慧火箭是智能設計、智能生產、智能測發、智能飛行、智能管理相結合的有機整體，是傳統火箭與新一代信息產業之間發生的劇烈的“化學反應”。相比於傳統火箭，智慧火箭成本更低、參研人員更少、效率更高，可實現我國運載火箭可靠性的跨越式提升。
與此同時，智慧火箭故障診斷和智能飛行技術帶來的領域和系統革新將很大程度上突破我國運載火箭傳統研製模式，改變總體、系統、單機的工作界面和流程。面對這樣一個全新的系統工程問題，總體單位需要進一步加強統籌，各個系統精誠合作，打造一個扁平、共享、融合的技術協同生態環境。
來源：中國航天報
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