关于我国智慧火箭技术的发展与思考

王刚 樊忠泽 刘岳国 牛子刚（中国酒泉卫星发射中心）

随着国防经济发展的需要，我国超高密度发射任务已呈常态化，虽捷报频传，但因飞行过程中发生故障导致飞行失利的情况也时有发生。对飞行失利的案例进行分析研究后发现，如果火箭具有一定“智慧”，在故障发生时，可自主分析并进行相应调整，将大大提高任务成功率。这说明现有火箭技术已无法适应我国目前航天任务高密度、快速发射的需求，智慧火箭技术是解决该矛盾的有效途径。另一方面，以计算机、大数据等为代表的新领域、新技术取得跨越式成就，将引发影响深远的产业变革。因此，新型运载火箭如果要实现质的突破，就必须与新兴领域技术实现交叉融合，所以智慧火箭是未来火箭技术的首选。

1 智慧火箭的概念

中国运载火箭技术研究院李洪研究员于2017年首先提出“智慧火箭”这一概念，认为智慧火箭的本质是“运载火箭＋创新”，其发展方向是传统运载火箭与新一代信息与制造技术的结合，其表现形式是“智慧火箭=智能研制+智能产品+智能制造+智能过程控制”[1]。中国运载火箭技术研究院彭越总师也指出，未来智慧火箭将是智能设计、智能生产、智能测发、智能飞行、智能管理相结合的有机整体,是传统运载火箭与新一代信息技术产业产生的剧烈“化学反应”[2]。2018年，中国运载火箭技术研究院北京航天自动控制研究所的“智慧火箭控制技术”项目立项，这项研究旨在使火箭变得更加“聪明”，即便在飞行过程中遇到故障也能自救，进一步提高运载火箭的成功率。2018年底，中国运载火箭技术研究院发布《人工智能发展规划》，以此为牵引，明确提出了“智慧火箭”的概念。长征三号甲系列运载火箭总师姜杰院士于2019年的“国际宇航科学院中国院士助力创新发展研讨会”上介绍，未来的智慧火箭将像人类这样的智能体一样具有会听、会看、会学习、“越飞越聪明”的特点。国外虽然故障诊断、自动测试和可重复使用等新技术研究应用领先于我国，但是还未提出“智慧火箭”这一概念。综合而言，智慧火箭技术包含了火箭的设计、制造、测试、发射、飞行、过程管理控制等诸多方面。

2 智慧火箭的特征

智能化自主控制

目前，我国现役运载火箭还不具备飞行任务自主重构的能力，且故障诊断处理技术也不成熟，控制体制仅能依靠系统的冗余容错等技术包容全箭出现故障引起的小偏差问题；但在全箭飞行过程中出现较大故障时，如发动机故障时，则不能更好地适应[3]。

智慧火箭的智能自主控制能力是解决上述问题的有效途径，也是智慧火箭技术的核心特征。智能自主控制能力要求智慧火箭具备自主故障检测、故障定位和隔离、自适应控制、在线轨迹规划等能力,以入轨为终极目标,提高任务成功率。智能自主控制能力的核心是，在故障诊断的基础上，利用全箭级的综合信息管理系统，实现应对非灾难故障的应急制导模式及策略，实现在线调整增益的自适应控制，实现冗余动力及推进剂智能管理，提升火箭对飞行中全箭级故障的自主适应能力，提高飞行可靠性。

国际上部分现役火箭具备一定的智能自主控制能力，但能力水平的高低不同。国外部分型号的智能自主控制能力水平比较高，如美国土星－5（Saturn－5）运载火箭曾2次在发动机发生故障时仍成功将“阿波罗”（Apollo）飞船送入了预定轨道；正在研发的“航天发射系统”（SLS）可利用自适应巡航控制（ACC）算法，根据控制品质在线调整增益，扩展了SLS火箭对典型故障和飞行异常的适应性；2020年3月18日，猎鹰－9（Falcon－9）在一个引擎突然熄火的情况下，利用动力重构技术和在线规划航线技术，仍然将60颗卫星送入预定轨道[4]。我国部分现役火箭如长征五号、长征二号F和快舟一号A等型号，具备的智能自主控制能力水平较初级，仅具有分系统级别的信息综合管理能力和被动适应故障的能力，但故障诊断后进行参数调整、重新规划弹道的智能控制能力还不具备，后续可通过融合云计算、数据挖掘等领域的最新研究成果实现突破。

美国土星－5火箭（来源：NASA）

智能化信息传输

智慧火箭的智能自主控制能力，要求火箭各系统之间进行大量、高速的信息交换。目前主流的1553B总线，无论从站点数、通信距离、传输速度等方面均无法满足智慧火箭的要求。在试验阶段的以太网技术、光纤通道等新型总线技术，虽然解决了传输速度和传输距离等问题，但是电缆连接器仍较多，电缆仍较长，可靠性和结构质量方面没有根本性改善[5-7]。

因此，智慧火箭最理想的信息传输系统应该是无线传输与无线供配电相结合的无缆化信息传输系统，综合利用无线保密通信、无线供电和无线测控技术，保证安全和保密的同时，实现数据海量、高速传递；降低电气系统成本的同时，大幅降低电气系统结构质量和故障发生率。

信息传输智能化是智慧火箭技术的重要前提，但目前全箭无缆化的智能信息传输方式距离实际应用还有相当距离。火箭测量系统正逐步实现无缆化，已搭载无线传感器系统的火箭有我国的长征三号乙、捷龙一号，零壹空间-X0（OS-X0）和天行一号火箭，欧洲的阿里安－5（Ariane－5）火箭，日本的“可重复使用运载器”（RLT）[8]。无线供电技术应用在运载火箭中还没有被公开报道，目前只是在卫星领域有相关技术探索[9]。要想实现信息传输智能化的快速发展，需要加快相关行业标准的制定，促进交叉领域研究。

智能化测试

航天器测试一般通过产生一系列的输入或激励和测试输出值来验证系统是否满足要求。我国现有主流测试技术仍以人工测试为主，测试要花费大量的人力和时间，还经常出现人工判读疏忽导致测试不充分的问题。这种测试技术也无法适应智慧火箭大数据量、高度智能测试需求[10]。同时，发射任务越来越密集，传统测试发射模式的潜力已经挖掘殆尽，迫切需要从技术创新上缩短人力和时间的投入，实现快速发射。

日本“艾普斯龙”火箭（来源：JAXA）

为了实现火箭自动化、无人化、智能化测试，智慧火箭需要匹配相应的智能测试系统，扬弃现有测试模式，即不再区分单项、分系统、匹配、总检查测试，而是按系统功能特征进行时序、飞控软件、部件特性等的并行测试，辅以数据挖掘功能实现故障自诊断，加上智能化地面测试发射控制技术，实现高度自动化、快速、远距离的测试发射控制。系统级的自检测可借助智能化机内测试（BIT）技术实现，利用内部设计的一些自检测电路和软件，为系统或单机设备提供快速自动检测，诊断故障并隔离故障。并行测试主要是通过提高单位时间内被测对象及参数数量，来解决智慧火箭海量数据的处理问题，提高测试效率。故障自诊断的实现可利用已有的“专家系统”为基础，集成大数据技术、深度学习技术和人工智能技术，实现故障诊断功能的高度智能化；对运载火箭测试数据进行实时自动分析、诊断推理，实现对故障的实时检测和诊断定位，并能辅助技术人员进行故障排查解决，将故障影响降到最低，提升运载火箭的测试效率；同时，基于大数据技术，对相关型号的所有地面试验、飞行试验数据进行集中管理，并利用深度学习技术进行系统的自学习，不断提高故障诊断和数据诊断的智能化，解决临界状态判断难的问题。智能地面测发控技术可利用集成测试、远程发射支持技术、数据自动诊断等功能实现发射场前端的无人化，测试发射的自动化和智能化，甚至实现一键化操作，大大减少火箭在发射场的测试时间和各种资源的投入，真正解决高密度发射任务的制约因素。

国际上，部分现役火箭型号已经具备了一定程度的自动化测试和远程测试发射的智能化测试能力，比较有代表性的是美国的猎鹰－9和日本的“艾普斯龙”（Epsilon）火箭。猎鹰－9通过先进计算机技术和以太网技术实现了自动化测试及测试数据的综合处理，采用基于网络信息化的远程发射支持系统，实现了前后方人员的优化配置和发射任务的快速响应[11]。“艾普斯龙”则运用人工智能技术支持的自主测试技术对运载火箭状态进行判断，并进行故障检测及故障隔离，实现了火箭自动状态检测功能；另外，“艾普斯龙”还采用了新型地面测试发射控制技术体系结构，使火箭的测试和发射控制仅使用1台笔记本电脑，通过网络就可以在世界上任何地点任何时间完成。目前，我国运载火箭电气设备的单机BIT能力、系统级自动测试和自动故障诊断能力不足，出厂及发射场测试时间周期长，现场人员多[1]，但部分新型火箭也实现了地面测发控一体化、数据自动判读和部分故障自诊断功能。随着行业标准的制定和发射场更加智能化，我国火箭的远程测试发射水平会有较大提升。

可重复使用

智慧火箭是面向未来超高密度发射形势的全新火箭概念，因此，不仅技术上要有飞跃式的创新，发射成本也必须突破传统火箭极限。这两个互相对立的要求是传统火箭无法解决的矛盾，只有通过重复使用这一技术才能完美解决。“可重复使用运载器”是相对于“一次性运载器”而言的概念,指火箭从地面起飞完成预定发射任务后,全部或部分返回并安全着陆，经过检修维护与燃料加注,可再次执行发射任务[12,13]。在航天发射中，火箭燃料成本只占总成本的2%，大部分成本都集中在火箭使用后抛弃的箭体、发动机及电气设备等。一次性运载火箭的发射成本为1万～2万美元/千克，而采用可重复使用技术的猎鹰－9发射成本可降至5000美元/千克[14]。

美国猎鹰－9火箭（来源：SpaceX）

智慧火箭可重复使用技术主要通过一子级、二子级和整流罩等舱段的多次回收使用分摊费用，降低火箭的生产与发射成本。另一方面，回收火箭还能避免火箭残骸造成的人员伤亡和经济损失，可以减少火箭发射的制约。因此，从降低发射费用和提高安全性考虑，可重复使用能力也是智慧火箭区别于传统火箭的一个重要特征[14,15]。

可重复使用技术的基础是实现对落点的精确控制，其中影响力比较大的试验是美国太空探索技术公司（SpaceX）在“猎鹰”系列火箭上进行的伞降回收和垂直起降回收的试验，以及我国2019年在长征二号丙运载火箭上的一级火箭落点精确控制试验。可重复使用技术的重要里程碑就是运载器的回收再利用，美国航天飞机是世界上第一款实现可回收并能部分重复使用的航天运载器。而使可重复使用技术成为热点的事件是，2015年SpaceX公司的猎鹰－9以垂直降落的方式在海上平台成功回收，至此，各航天强国都开始提出“可重复使用运载器”的研发计划[16-18]。

3 关于我国智慧火箭技术发展的思考

需尽快制定相关技术标准

智慧火箭技术是各种颠覆性技术的集大成者，涉及到航天、先进材料、计算机、通信和大数据等诸多领域，需要整合相关行业力量发展交叉技术，可以带来极大的社会效益。为了保证研制生产力量的集中投入，我国迫切需要制定相关行业标准。

1）通过智慧火箭技术标准提供的统一平台，促进相关领域的学术研究成果迅速快捷地过渡到生产领域，转化为现实生产力。

2）通过智慧火箭技术标准的引领，促进各领域相关产品结构和产业结构的有效调整，使资源合理利用，简化生产技术。

3）通过智慧火箭技术标准的科学制定，实现科学管理并提高管理效率，稳定和提高相关产品、工程和服务的质量。

4）通过智慧火箭技术标准的强制要求，保证各个行业、产业的高度统一性和协调一致，实现产品的通用互换及标准的协调配套，解决智慧火箭技术面临的高复杂度问题。

质量控制智能化

智慧火箭研发、生产、测试过程中将产生海量、繁杂的数据，现有质量控制手段无法实现对该数据的有效发掘和利用。同时，高度的自动化使得现有统计手段无从下手。因此，质量控制体系也要跟上火箭技术智能化发展的脚步，合理运用现代数据采集管理技术，在现有质量控制机制基础上，发展“智能化”质量控制体系。结合我国国情，具体可从以下几方面开展研究。

1）利用大数据技术，通过高速捕捉、发现和实时分析，从智慧火箭海量、繁杂的数据中发现参数的关联，识别潜在隐患。

2）利用云服务、物联网、电子标签等技术，实现对全过程数据的信息化、统一管理，破除系统壁垒导致的信息流通不畅问题，为更高级别的故障分析奠定基础。

3）充分利用深度学习等人工智能技术，以数据信息化、统一管理为基础，代替人工实现对整个过程的质量自动化控制，可以辅以关键节点的人工介入，实现质量控制和火箭研发、生产、测试过程的完美契合，减少质量控制的时间成本和人工成本。

发射场智慧化

智慧火箭集成度高、技术新，对发射场的自动化程度、智能化水平也有较高的要求。目前，我国主要发射场的测试发射自动化水平还比较低，无法适应智慧火箭的自动化测试和快速发射需求。并且，信息应用的智能化水平也不足，信息融合度不高，交互操作困难[19,20]。因此，我国的航天发射场也迫切需要实现智慧化，以发挥智慧火箭优势，实现航天发射能力的深刻变革。其主要途径包括：

1）加强理论水平研究，不仅满足于测试发射的可靠性，还要对新理论、新观点、新思想形成系统研究成果，加强探索研究和技术储备，推动航天发射场向智慧型转变。

2）加大物联网、云计算、量子通信、移动互联、先进传感等新技术的应用，实现地面设施设备智能化运行、发射无人化、合练数字化，具备保障快速发射和并行任务的能力，为更加快速、安全、可靠、低成本进入空间奠定基础。

3）利用先进信息技术，打造智慧化发射场指挥管理系统，实现发射场管理和运行模式的变革，提高发射场运行效率。

技术迭代发展

智慧火箭是高度智能化的火箭，但是越智能就代表着越复杂，可能会导致可靠性的降低。同时，智慧火箭技术也是一项颠覆性技术，其研究不是一蹴而就的，所应用到的各种核心高技术代表着先进性和高成本，需处理好新技术继承性和先进性之间的关系，在应用新技术时兼顾成本。因此，我国需要采用技术迭代发展的研究应用思路，通过同一型号的迭代发展和不同型号的并行发展分摊新技术应用风险，保证智慧火箭的可靠性。同时，充分利用好已具备条件的高新技术，尽快实现经济效益和社会效益，并带动尚不具备条件的技术发展研究，实现以点带面的作用。具体可从以下几个方面实现。

1）智能化自主控制。目前，自主故障检测故障定位和隔离功能已有了一定的研究基础，可加速推进该技术的实用化。在此基础上发展全箭级的综合信息管理系统，结合箭上计算机性能的突破，实现自适应控制和在线规划轨迹。

2）智能化信息传输。某些型号已经进行了无线传感技术飞行试验，因此可优先发展无线测量系统，当无线通信有了新的技术突破时，再实现全箭、箭地信息传输的无缆化。目前，运载火箭的无线供配电技术还不太成熟，可结合技术发展逐步开展局部技术验证，最后形成全箭、箭地间的无线供配电。

3）智能化测试技术。目前，我国在一些型号上已经实现了机内测试和数据自动判读技术，可在此基础上，结合大数据技术逐步推动建立全寿命、全型号的数据库，然后利用深度学习技术发展智能数据诊断系统。

4）可重复使用技术。可利用现有型号进行落点控制技术的深度验证，在此基础上，结合新型火箭的设计进行可重复使用技术的突破。

4 结束语

智慧火箭技术代表着火箭技术理论研究、设计、生产、测试、发射等领域的深刻变革成果，是国家综合实力的重要体现。本文仅对智慧火箭技术进行了浅层次介绍探索，希望能够为智慧火箭技术的发展起到积极作用。