智慧火箭数据获取技术探索与展望

张 霞焉 宁郝宇星王小锭徐振亮

(中国运载火箭技术研究院研究发展部,北京 100076)

1 引言

随着智慧火箭[1-3]概念的提出,运载火箭智能感知能力面临新挑战,数据获取是智能感知的前提,准确获取火箭自身的状态是智能感知、智能飞行和故障诊断的依据。目前,运载火箭数据获取手段尚不具备运载火箭智能感知的要求,存在测不全、测不准现象,亟需高效的先进数据获取手段。

2 智能感知对数据获取需求分析

2.1 数据获取现状及问题

运载火箭测量参数分为电量参数和非电量参数[4]。电量参数包括电压、电流、开关量、计算机字等,主要由敏感器或计算机单机完成采集,传送给箭上计算机或综合处理器完成数据综合和处理;非电量参数主要包括运载火箭在试验和飞行过程中的各种环境参数、状态参数和高空物理参数等,要完成非电量参数的检测,需多种传感器安装布置在相应部位。非电量参数安装物理性质可分为热工量和机械量等,热工量包括温度、压力、热流、流速等,机械量包括应变、加速度、过载、噪声等。运载火箭测量参数包括常规参数、结构健康监测和动力系统监测,如图1 所示。常规参数（如温度、振动、压力等）大多采用点对点测量,电缆网众多,可扩展性差;低温推进剂温度、羽流温度、燃烧室温度等极端温度还需提升测量精度和测量效率,振动参数测量点少,精度和可靠性偏低且传感器较大,需提升测量效率和可靠性。

图1 运载火箭智能感知数据获取关键问题和发展趋势Fig.1 Key issues and development trends in acquisition of intelligent sensing data for launch vehicles

目前,结构系统和动力系统很多重要参数尚处于不可测状态,亟需提升结构系统和动力系统感知能力。火箭大型结构如贮箱、蒙皮等健康监测,主要包括金属结构疲劳裂纹、复合材料结构内分层、基体开裂、纤维断裂、复合材料整体化构件的失效等主要损伤,以及引起这些损伤和失效的冲击和载荷。结构健康监测非电量参数主要包括微裂纹、应变／应力等。目前,在微裂纹测量方面,火箭主要依据可靠性试验,飞机通常在飞行结束后测量,微裂纹测量代价比较大,对微裂纹代价较小的测量也可以作为未来研究方向。而应变参数还处于测不准、测不全的状态,如何无损测量结构应变参数,提升测量效率是重点研究的内容。

火箭发动机工作过程包括涡轮泵系统的高速转动、阀门等控制元件的机械运动、供应管路中流体或气体流动、各种换热器中的热交换、推力室／预燃室／燃气发生器中的燃烧过程等。发动机在机械、流体及热过程的作用下经受着强烈的振动、冲击和热负荷。结构、工作过程和载荷的复杂多样导致了发动机失效模式的多样性和健康监控的复杂性。发动机的工作参数主要通过各种传感器来监测,除测量发动机各部段振动、冲击、应变、温度热流等参数作为发动机环境参数外,还需测量涡轮泵出入口、燃烧室、发生器喷前压力和温度、泵出口／喷嘴入口流量、涡轮泵转速等作为动力系统故障检测算法的数据。动力系统工作在高温、高压、强冲击／振动的恶劣环境中,传感器安装部位特殊,如何在极端恶劣的情况下无接触、高精度、高速率获取动力系统数据是动力系统实现智能故障诊断和重构的基础。

2.2 智能数据获取发展趋势

传统火箭的数据获取手段基本成熟,未来运载火箭则面临智能感知需求,需解决以下几个问题。

（1）测量领域受限问题,比如结构应变参数目前还处于测不全的状态,如何无损、高效、高精度测量结构应变参数,作为结构健康感知的可靠信息来源是亟需解决的问题。

（2）测量精度不高与可靠性不高的问题,如常规的振动、极限温度等,目前不能满足总体改进设计或故障定位需求。

（3）可扩展性差和可裁剪性不高的问题,一旦改动工作量较大,且电缆网重量重,可探索采用无线通信、无线传感等无缆化、网络化技术加以改进。

针对目前运载火箭存在的问题,可以预见智能化、网络／无缆化和轻质高效化是今后发展的方向。

2.3 智能化需求

为提升运载火箭智能感知能力,可从测量手段、采集、数据传输及数据处理和分析等四个方面提升数据获取的智能化程度:探索采用超声、红外、射频、光学等测量手段,解决结构／动力健康检测参数不可测、效率不高等问题;利用智能传感器将信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能集成,提高数据获取集成度从而提升测量效率和精度;采用更高测量频率获取更精准的状态数据,并采用更高传输码速率传输数据信息;采用基于人工智能的数据处理分析算法提升系统故障检测和重构的能力。

2.4 网络/无缆化需求

目前,在运载火箭舱段内,大多采用独立的传感器配备单独的电缆连接至信息综合采编设备上,如图2 所示,再通过遥测系统下传至地面,由于航天器参数采集数量众多,导致电缆网复杂、重量重,在设备安装布局过程中需要进行多轮的耦合迭代设计,过程复杂,布线、维修和维护都面临着较大困难,降低了系统的可靠性。同样,运载火箭舱间均通过各类电缆进行信息交互,通过分插来实现级间分离,这样就不可避免地带来电缆质量及使用分插所引入的不可靠因素,且不便于测试维护。

图2 运载火箭数据获取示意图Fig.2 Schematic diagram of a launch vehicle data acquisition

在研制过程中,如设计发生更改,就要对已配套应用的电缆进行更改或重新生产电缆,还需完成电缆分支的调整以及新增电缆敷设等工作。为提高测量系统的可拓展性,减小系统复杂度,减轻电缆网重量,数据获取手段需具备无缆化、网络化、自组网等特点,自组网无线通信技术、无线传能等技术是目前研究热点。

2.5 轻质高效需求

我国现役运载火箭电气系统存在规模大、集成化程度低、电缆网超重等现象,系统效率低、操作复杂、排故时间长等问题,严重影响运载能力,有必要开展运载火箭电气系统高效轻质化技术研究。数据获取作为布局在整个火箭全身的毛细血管,设备数量众多,线路交错复杂,测量效率不高,一个传感器表征的范围有限,想获得整体状态分布,就得增加测量布点,但测量点数量的增加带来重量的增加,代价较大。提高系统测量效率,实现轻质高效化是运载火箭数据获取的一个重要研究课题,可采用小型化、集成化、智能化等技术。

3 智慧火箭数据获取方案及关键技术

结合需求分析和发展趋势分析,突出数据获取智能化、网络化、无缆化、轻质高效化等特点,各子级综合控制单元集成了采编／变化器、网络交换、数据综合与处理等功能,子级间指令数据传输仍采用有线高速数据总线。采用高集成度先进高性能微处理器的具有信息处理能力的智能传感器,提升测量精度;采用光纤传感网络、柔性传感等技术实现轻质高效化;采用光纤光栅传感网络测量温度、压力、结构应变等环境量,减少电缆网复杂度、传感器设备数量;采用无线传感网络技术采集距离采编器远的温度、振动、冲击等零散参数,减少电缆网重量,使之便于布局,无线通信汇聚总节点可布置在各级综合控制器内,也可作为独立通信设备与综合控制器进行数据交互;无线传感器能源传输可采用基于磁谐振的无线传能充电方式从箭上充电设备处获得电能,因无线传能技术受传输距离、功耗、火焰及子级分离等因素限制,各子级均设立充电桩。某火箭数据获取总体框架如图3 所示。

图3 某火箭数据获取总体框架示意图Fig.3 Overall scheme of data acquisition for a launch vehicle

图4 光纤测量设备连接示意图Fig.4 Optical fiber measurement equipment connection diagram

图5 基于磁耦合谐振的无线携能系统方案Fig.5 SWIPT scheme based on magnetic coupling resonance

3.1 结构健康监测

结构健康监测技术指利用传感网络探测结构主体在有负载和无负载的状态下结构响应信号的变化,或者通过对结构主体长期的结构响应信号监测来实现对被监测工程结构健康状况信息的读取,再进行计算、分析和对比判断主体结构性能的变化状况,为智能系统提供结构健康的评判依据[5-7]。运载火箭上贮箱、发动机、蒙皮等结构的健康监测是实现运载火箭智能感知的关键,主要进行应力、应变等参数测量。表1 为多种结构健康监测方法的优缺点和应用场景,不同的结构健康监测技术所适合的监测量不一样,需根据监测点选择适用的监测方法。

表1 多种结构健康监测技术综合特性对比Tab.1 Comparision of various structural health monitoring technologies

运载火箭大型复合材料结构可选用基于光纤光栅的健康监测技术;大面积重点金属区域可选用基于超声导波的健康监测技术;固体推进剂药柱结构可采用基于阻抗法的健康监测技术;对于某些特定单点结构应变采集可采用无线应变传感器进行组网采集。

3.2 光纤传感网络

光纤传感器主要有以下几种类型:（1）强度型光纤传感器,检测输入、输出光强的变化。系统结构简单易于解调实现,但灵敏度较低,难以实现微弱信号的探测。（2）干涉型光纤传感器,检测光的相位信息变化。对环境温度、应变及振动极为敏感,可实现高灵敏度感测,但干涉结构复用性差,仅适合单点测量。（3）分布式光纤传感器,可实现连续性的分布式传感,充分发挥“传感合一”的优点,但通常需要高速调制解调设备进行大量的后期数据处理,延时较长,适合于非实时性测量。（4）光纤光栅传感器[7],感测光纤光栅的波长变化或偏振态信息,测量结果不受光源功率波动、传输链路损耗起伏等因素影响,抗干扰能力强,可以在一根光纤上串联多个光纤光栅构成传感器网络实现多点准分布式测量。如前文所述,运载火箭较适合采用基于光纤光栅的传感网络技术实现多点准分布式温度、应变测量,利用多通道光纤光栅传感网络分析仪可以实时监测成百上千点的温度和应变;而多台光纤光栅传感网络分析仪组网可以实现超过一万个点的温度和应变的实时监测,从而及时发现和确定结构内的损伤位置及程度,并监视损伤区域的扩展。

3.3 无缆化

目前,运载火箭数据获取所需的信息通路和供电通路大多是有线连接方式,要实现运载火箭无缆化连接,不仅需要实现通信无缆化,也要实现供电无缆化。通信无缆化指利用无线通信替代有线通信,供电无缆化指采用自备能源或无线传能技术替代有线供电,自备能源一般指纽扣电池,但纽扣电池容量有限且装配后不利于再次更换或能量补充,目前正探索可采用无线传能的方式实现供电无缆化。只有通信和供电都实现无缆化连接才能真正实现运载火箭无缆化,不仅减轻线缆网重量,而且便于设备布局,提升系统可扩展性。

3.3.1 通信无缆化-无线传感网络技术

运载火箭内通信可划分高实时信令传输、高吞吐图像／视频传输和传感器网三种不同应用场景,控制系统总线数据速率可达Gbps 量级,属于高实时信令传输,对可靠性、时延性等要求很高,因此不考虑无缆化;相机作为图像／视频采集设备,可作为传感器网络中的一个节点,可考虑采用无线传感网络技术实现通信无缆化。无线传感网络[8-10]一般由无线传感器节点、网络交换节点（集成在采编器中）等组成,网络交换节点与无线传感器节点进行双向通信。无线传感器节点布置在飞行器需要测量的各个位置,实时采集飞行器测量参数,如振动、冲击、压力、温度等,每个无线传感器节点都具备传送和接收的能力。网络交换节点发送传感器工作模式指令至传感器节点,同时收集所有无线传感器节点测量数据,实现通信协议转换,将转换后数据经无线通信系统发送至地面。

在通信体制选择上,目前在无线传感器网络中广泛使用的无线通信方式有Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee 等[11,12],这几种通信方式均较成熟。西安电子科技大学采用了超宽带（UWB）技术实现舱内通信无缆化,在数据率、时延性能等方面较其他通信体制有优势,但占用频带较宽且较其他方式耗电,适合舱内通信无缆化。不同通信方式无线传感网络比较如表2 所示。

表2 不同通信体制无线传感网络比较Tab.2 Comparision of different WSN communication protocols

3.3.2 供电无缆化-无线传能技术

无线传能技术（WPT）包括电磁感应、磁谐振、微波、激光等方式[13-16]。电磁感应式主要应用于对功率需求大、位置相对固定、传输距离很短的使用场景;磁谐振式是一种非辐射性的强磁场耦合,在以线圈为中心的一定空间范围内,磁场能量以一定的频率进行不向外辐射的反复移动,且不受中间障碍物的影响,是一种距离和功率均比较理想的无线电能传输方式,主要应用于存在遮挡物、传输距离为米级、对传能效率要求高的使用场景;微波无线传能方式主要应用于传输距离远、对效率要求不高的自由空间环境;激光无线传能易受到空气和尘埃的散射,非线性效应明显,对方向性要求高,并且不能穿过或绕过障碍物传输,可应用于太空无线传能。

运载火箭无线传能具有特殊性,无线传能可分为箭内无线传能及射前箭地无线传能两种方式。箭内无线传能要求不受障碍物影响,传输距离达米级,传输效率尽量高,满足电磁兼容要求,且要求一个发射源由多个传感器接收,无指向性要求。综合分析,基于磁谐振的WPT 是实现运载火箭箭内供电无缆化的关键技术。箭地供电无缆化主要用于射前给箭上蓄电池无线充电,从而减少射前转电等操作,充电功率达千瓦级,可以通过摆杆等实现接触式传能,可选用电磁感应式无线传能方式。

3.3.3 无线携能通信

无线携能通信（SWIPT）实现能量和通信并行传输,能量传输和信息传输采用不同频段,各自工作互不干扰,具有较强的独立性,能量和信息的传输效率也会大大提高。SWIPT 是将无线传能与无线信息传输相结合的产物。高效的WPT 和可靠的SWIPT 接收机算法是SWIPT 的研究重点与难点。在SWIPT 系统中,接收天线接收电磁波信号,在进行信息解码的同时,完成能量的采集,将电磁波中的部分能量转化为直流电进行使用或存储。基于磁耦合谐振的SWIPT 系统[17]可作为一种无缆化途径。

基于磁耦合谐振的SWIPT 系统主要包括无线携能发射单元和无线携能接收与恢复单元两个部分。前者用于产生振荡信号,将无线信号FM 调制后传输,并随着系统谐振频率的变化实时调谐;后者负责接收、解调出通信信息,通过整流稳压电路为负载供电与控制,同时实时监测以调整系统处于最佳传输状态;二者之间通过双线圈磁谐振耦合方式同步传输无线能量与信息,从而实现无线能量与信息的高效传输。

4 结束语

随着人工智能技术的发展,智能导弹武器系统[18]、智慧火箭概念也随之涌现,智能感知、智能控制、自主规划等是这类智能复杂系统的重要特征,而智能数据获取作为共性技术是实现智能感知和控制规划的前提,未来智能数据获取技术朝着智能化、网络化和轻质高效化方向发展。其中,基于光纤光栅的传感网络、无线传感网络技术、无线传能技术、智能结构健康监测技术等是数据获取的共性关键技术,正逐步应用于智能复杂系统。