新型中型运载火箭控制系统架构及发展

胡海峰，宋征宇，孙海峰

（1.北京航天自动控制研究所，北京，100854；2.宇航智能控制技术国家级重点试验室，北京，100854；3.中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引言

载人空间站工程中为发射货运飞船全新研制的新型高可靠运载火箭，历经10年攻关研制，实现了长征火箭近地轨道运载能力大幅度的跨越。作为运载火箭的中枢神经，控制系统实现了向总线制分布式全数字容错控制系统的跨越发展[1,2]。本文回顾了国内外火箭控制系统的发展情况，介绍了中国新型中型运载火箭控制系统的基本架构和技术特点，并对下一代运载火箭电气系统的架构进行了展望。

1 运载火箭控制系统发展概况

1.1 长征运载火箭

中国长征系列运载火箭控制系统发展大致经历以下4个主要阶段[1,2]：

a）以早期地地导弹为参考，采用简易计算装置实现对弹道的控制。

b）“平台-计算机”方案，利用惯性平台的信号，由飞行控制软件计算火箭在惯性坐标系下的速度、位置，采用摄动制导方法和PID 稳定控制；后发展为“惯组-计算机”方案，也可统称为“惯性测量设备-计算机”方案。

c）从20世纪90年代开始，开展了以提高可靠性为目标的冗余容错控制技术的探索，并且形成了多种冗余体系结构，同时制导系统采用更具鲁棒性的闭路制导方法，CZ-2F是这一代控制系统的典型，CZ-2C/D、CZ-3A等火箭在此期间也通过探月工程、可靠性工程等进行了冗余容错改进。

d）基于1553B总线，仍旧为“惯性测量设备-计算机-执行机构”的方案，但上一代的以计算机为核心的集中控制被“计算机+各类控制器”的分布式控制所替代。新型中型运载火箭是这一代运载火箭的典型。

1.2 国外运载火箭

国外典型运载火箭包括美国的宇宙神5、德尔它4、法尔肯 9等，以及正在研制的SLS重型火箭，日本的H-2A等。

a）宇宙神5。

宇宙神5[3]系列的电子系统由通用芯级和上面级电子系统组成，其分别采用独立的1553B总线进行通信。

为了提高可靠性，采用容错惯性导航装置（Fault Tolerant Inertial Navigation Unit，FTINU），由冗余的惯性测量系统（Inertial Measurement System，IMS）和双通路飞行控制系统（Flight Control Ststem，FCS）组成。IMS由5个一组的环形激光陀螺、5个加速度计和处理器组成。由于宇宙神5不执行NASA的载人任务，因此在系统设计上多采用双冗余设计，比如 FTINU采用的双通道冗余硬件设备，一个通道用于控制飞行器，另一个通道用于监测数据以便在需要时接管控制。火工品控制由双冗余火工品控制器和火工品电池组成，通过1553B总线接收飞控时序指令，仪器设备电池也为双冗余配置。飞行中止系统独立于飞行控制和测量功能，也采用双冗余架构（接收机、电池、自毁装置），接收地面安控指令完成发动机关机和自毁。

b）法尔肯 9。

从目前较少公布的电气系统资料看，法尔肯 9火箭使用了三冗余箭机，总线使用了交换式冗余网络通信架构。火箭主要通过2台计算机进行控制：一台是飞行控制计算机，位于二子级上部的仪器舱内；另一台是发动机控制计算机，安装在一子级发动机上。飞行控制计算机与地面控制系统通过标准以太网连接，这样简化了火箭所需的硬件和软件。法尔肯火箭采用GPS加双惯性测量装置复合制导。

法尔肯 9一级和二级采用了独立的冗余锂离子电池[4]，以简化舱段间电气接口关系，提高可靠性。

c）SLS重型。

SLS将是航天飞机之后，运送美国航天员进入太空的下一代运载工具，SLS重型运载火箭继承了阿瑞斯[5]火箭的部分研究成果，采用了三冗余的1553B总线方案，控制系统数据与测控组合之间还使用了422通讯。全箭冗余方式以三冗余（飞控计算机、惯组、推力矢量）、双冗余（供配电系统）为主。采用基于ARINC 653标准的VxWorks653分时分区实时操作系统作为箭载飞控计算机操作系统。

d）日本H-2A火箭。

H-2A每级均有一个箭载计算机，这些箭载计算机完成了H-2火箭上由不同装置（计算机、数据接口装置、时序控制器和遥测编码）所完成或参与完成的制导、导航、控制和遥测等多种功能。二子级箭载计算机除执行火箭的制导与导航功能外，还对二子级进行测试和控制，一子级箭载计算机用于一子级和固体助推的检测和控制。每一子级的电气系统以该子级箭载计算机为中心，各子级箭载计算机由1553B总线连接。一子级、二子级和固体助推器都有配电器和电池，负责电气系统的供电。

2 新型中型运载火箭控制系统架构

新型中型运载火箭采用基于总线制的分布式全数字控制系统，作为新型运载火箭的中坚力量，承担在役运载火箭控制系统更新换代的任务，其基本架构如图1所示。

新型中型运载火箭控制系统架构在6个方面实现了跨越发展：

a）模拟量控制向数字化控制的跨越。通过1553B总线、422总线以及485总线等数字化总线的应用，实现了全数字控制。总线制标准化了设备之间的接口，便于系统集成；通过简捷的电缆连接，可以传输更多的信号，有利于信息共享利用和监测。在数字化的控制体制下，控制系统各舱段之间以及控制系统与发动机、地面系统之间的电气接口主要以供配电信号、开关量信号和总线信号为主，取消了传统运载火箭的模拟量控制信号，这些都充分体现了新型控制系统特征。

b）单机级冗余向系统级冗余的跨越。三余度设计是确保一度故障下可靠工作、并且兼顾高可靠性和经济性的最佳选择。在继承以CZ-2F载人火箭三模冗余容错技术的基础上，由余度总线构成全对称的三余度控制系统。全对称的三冗余控制系统简化了软硬件实现的复杂度，并大幅提高系统的可靠性。

c）实现集中式控制向分布式控制的跨越。除芯级外，每个助推器也设置独立的控制子系统，构成分布式控制体制，简化了助推和芯级之间的耦合关系，提高了可靠性。分布式控制减轻了飞行控制软件的负担，使其更专注于制导与姿态稳定控制。

d）定制化向模块化的初步跨越。采用了集成模块化电子系统的设计思路，具有提高可靠性和降低成本的双重效果，比如主要控制设备包括一级、二级和四台助推综控器、推力调节控制器都采用模块级重用设计，同一模块中，例如CPU模块，也可以配置1553B总线、422总线等不同的接口，提高模块通用化程度。

e）单一飞行控制向全面飞行控制的跨越。采用动力系统和载荷主动控制技术，扩展控制系统功能[2]：主动的闭式增压技术实现贮箱薄壁结构承载和发动机入口的压力；推力调节控制系统实现发动机推力的快速精准调节；采用集成化横法向加表装置敏感横、法向过载，实施火箭主动减载控制。上述技术提高了火箭任务适应性和可靠性，具有降低运载火箭结构质量、提升有效运载能力的优势。

f）实现固定判读向智能化数据分析的跨越。采用数据驱动的快速测试方案[7]，通过自检测和总线窃听技术实现自动的数据分析，箭地之间的连接关系以及信号种类大幅简化。在测试过程中辅以实时的智能化同步数据分析，对箭上处理过程实时镜像“复现”，增强测试覆盖性，并提高诊断效率。

图1 新型中型运载火箭控制系统架构Fig.1 Avionics of New Medium Launch Vehicle

在该架构支撑下，控制系统突破多项技术，系统性能大幅提升，主要表现在4个方面：

a）采用余度总线全数字分布式控制架构，解决了数字总线控制体制的系统级三冗余设计、故障检测隔离与系统重构、分布式子系统间的同步控制等难题，系统故障率降低约70%，可靠性提高到0.998。

b）提出一种预测修正的迭代制导方法，采用速度和位置分时约束控制解决了推力突变导致姿态控制震荡和控制精度下降的难题。采用起飞自主补偿和轨道面修正技术，将“零窗口”发射的定时定点最优控制问题，转化为窄窗口约束的自主修正制导控制问题。预测修正方法提高精度90%，在取消末修系统状态下，仍实现了15倍的大推力直接入轨的高精度控制。

c）规划等效摆角，将双动力系统的复杂控制问题转化为单动力控制模型，采用多回路顺序迭代优化控制参数。采用自适应减载控制技术，在大风区放宽指令跟踪精度以提高稳定裕度，舱段分离时提前切换控制率以保证可靠性，飞行后段提高姿控精度并利用闭环制导将前期积累的误差统一消除。该方法解决了超大长细比助推器稳定控制、弹性耦合和晃动控制、结构高频特性制约减载效果等难题，实现了双动力系统联合摇摆的大长细比火箭的稳定控制，减载效果达到20%。

d）设计多任务分级控制的飞行软件调度模型和总线窃听通信方案，测试过程中实现BIT测试数据的自动监听，资源利用率提升20%，采用将前端发控设备集成于活动发射平台的新型测发控方案，应用基于模型和数据驱动的综合测试及智能分析方法，发射区准备时间减少50%，人工操作减少90%，实现了智能实时快速测试和发射控制。

3 下一代运载火箭控制系统发展

3.1 发展趋势

国际上以美国为代表，已由单纯追求更大运载能力向“快速、经济、可靠、安全”转变，法尔肯9系列、火神系列、安加拉系列和阿里安6系列火箭均将模块化的综合电子作为后续降低发射服务费用、提升运载能力的有力手段。阿里安6[10]采用综合电子架构，将电源管理、线路检测与时序控制、电磁阀驱动、遥测计算机、箭载计算机、总线交换功能按照功能板卡形式进行了集成，称为中心多功能单元设备。NASA在“深空之门”月球轨道空间站项目中提出了开放式的综合电子架构[11]，采用了分布式的软硬件资源配置，通过TTE总线[12]进行互联，分时分区的设计使不同关键等级的任务运行在隔离的高集成度分区。

中国新型中型运载火箭控制系统考虑了模块化的设计思路，但还未实现跨系统的集成设计，在一定程度上造成资源重复配置，成本偏高；集中式的供配电体制，控制设备均由位于仪器舱的电池提供，导致舱段间耦合度高。文献[8]指出“我国目前的长征系列火箭还未能实现跨系统集成设计”，并提出采用系统集成和一体化设计降低运载火箭成本的方法，“充分发挥每个单机的功能，减少单一功能的设备，也可以降低成本”。文献[9]提出“控制与测量系统一体化设计”的基本思路，“独立的系统设计方案显得过于复杂”，并指出“在综合分析可靠性、成本双重因素下，测量分系统中的相关功能，尤其是用于对控制系统信号进行采样、编码、传输的各种数据采集单元具备了与控制系统一体化设计的条件。”

3.2 控制系统发展

采用更少种类的模块组合形成不同运载能力需求的构型，减少产品数量和规模，提高产品配套能力、缩短任务准备周期，简化发射场的使用操作流程，并最终提高运载火箭的市场竞争力，符合当前主流航天发射市场的发展趋势和潮流。同时，通过基于分布式智能模块化系统（Distrubuted Intelligent Modulare Architecture，DIMA）架构的系统级容错架构[13]，利用分布式架构将容错规模从单机内部扩展全系统级，进而大幅提高系统故障容限度。

下一代运载火箭综合电气系统的架构，将是采用资源分布式设计的集成模块化综合电气系统，基于标准模块的软硬件资源，通过统一的交换式通信网络构成的分布式综合模块化平台，其电气系统架构如图2所示。

图2 下一代运载火箭分布式模块化综合电气系统架构Fig.2 DIMA of Next Generation Launch Vehicle

通过通用模块的组合，形成具有不同功能的电气设备，配置在不同的舱段位置，通过交换式的网络连接形成综合电气系统。下一代运载火箭电气系统架构的发展将主要表现在3个方面：

a）由系统内集成向跨系统集成转变。

每个电气系统集成控制设备同时包括控制功能和遥测功能，除完成控制以及自身的自检测功能外，还可以兼顾周边相关非智能设备信号的检测，如各种传感器信号、配电信号等，其思想是尽可能多地发挥处理器的富裕能力，减少单一功能的单机[1]。

b）由主从式总线网络向交换式总线网络转变。

航天运输领域普遍采用的以1553B总线为代表的主从式总线已经不能满足电气系统更大规模的数据通信需求和更加智能化的控制及容错需求。基于时间触发机制的交换式数据网络，为解决箭上一体化电气系统高可靠性的数据高速率传输、自主的飞行控制、智能化的容错控制提供了一条新的解决途径。

c）由故障吸收为主的容错体制向智能化的分布式主动容错架构转变。

分布式模块化综合电子系统架构提供了一个更加灵活的架构，在必要时通过将系统中空闲的计算资源分配给故障应用实现系统重构，进而提升容错能力[13]。

4 结束语

新型中型运载火箭的飞行成功，标志着中国新型中型运载火箭正式进入中国航天历史舞台，将成为中国中型运载火箭的主力军。新型中型运载火箭控制系统实现了由上一代运载火箭向新型运载火箭控制系统的跨越式发展，随着后续高密度发射任务的到来，高可靠的控制系统将面临更加严峻的考验。历史的脚步永不停歇，伴随着信息技术的发展，资源配置更加优化、功能更加合理、控制方法更加智能的下一代运载火箭正在孕育之中，未来也将登上历史的舞台，与新型运载火箭一起，共同支撑中国航天运输系统的发展。