邊飛邊學!我國正在研製會學習的運載火箭
2020年10月21日09:33

  來源:科技日報

  記者:付毅飛

  在人類航天史上,航天發射任務具有高風險性。提高運載火箭的安全性和可靠性,一直是航天科技工作者不斷追求的目標。對此,火箭飛行控制系統起到至關重要作用。

  據統計,在1990年至2000年間,歐、美、日、俄運載火箭發射失敗案例中,約有40%的失利有可能利用先進導航製導與控制技術補救挽回,從而繼續完成任務或者降級完成任務。近幾年,獵鷹9號、德爾塔4運載火箭均出現過飛行中發動機推力下降的故障,但通過實施不同程度的補救措施,最終沒有影響主要任務。

圖源:視覺中國
圖源:視覺中國

  科技日報記者從北京航天自動控制研究所瞭解到,我國正在研製會學習的運載火箭。該所副所長禹春梅介紹,該技術是將智能技術引入導航、製導及控制等各個任務環節,使運載火箭變得更加聰明、自主,對複雜環境和突髮狀況具備更強的主動適應能力,從而能在更大程度上確保完成任務。

  邊飛邊學與終身學習

  感知周邊的環境,積累數據自我改進

  對於火箭而言,飛行控制系統相當於它的大腦。按照北京航天自動控制研究所科研團隊的研究成果,這部“大腦”學習起來具備兩大特徵。

  禹春梅介紹,傳統火箭的飛行策略及軌道是提前設計好的,如果在飛行過程中遭遇事先沒有預料到的複雜空間環境,火箭飛行軌跡無法在線調整。另外,如果火箭上出現如動力系統故障等突發情況,又不能及時採取措施,很可能會導致任務失敗。

  但會學習運載火箭則具有邊飛邊學特徵。其控制系統能充分利用箭載多源信息,使火箭實現飛行狀態與環境在線辨識、運載及控制能力在線評估、軌跡在線規劃、控制在線重構、目標在線變更等功能。簡單來說,它可以實時感知自己周邊的環境,如果有威脅就自主改變軌跡。同時,火箭會邊飛邊開展自我健康診斷,如果發現問題,它會評估自己的能力,根據實際情況採取相應措施,或是對任務計劃進行調整。“例如火箭檢測到二級發動機出現故障了,它可以提前實施二三級分離,啟動三級發動機繼續飛行。即使無法按預定計劃完成任務,也可以在重新構建控制系統的基礎上規劃新的軌跡,飛向安全軌道或降級軌道,儘可能減少損失。”禹春梅說。

  會學習運載火箭的另一特徵是終身學習。其控制系統能夠充分利用全生命週期中所產生的數據,以大數據、智能分析技術等為基礎,實現模型智能修正、模型智能建立、方案與參數智能優化等功能,持續進行自我學習和改進。

  現役運載火箭中,絕大部分都是一次性使用,每一發火箭在飛行過程中,可以將自己的“學習內容”傳回地面,供後來者借鑒,實現火箭之間的傳遞性學習,讓後續火箭越來越“聰明”,“經驗”越來越豐富。

2020年7月23日,長征五號遙四運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空,實施我國首次火星探測任務(天問一號任務)。新華社記者 才揚 攝
2020年7月23日,長征五號遙四運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空,實施我國首次火星探測任務(天問一號任務)。新華社記者 才揚 攝

  記者瞭解到,上述兩大學習特徵相輔相成、相互促進。邊飛邊學積累的經驗和數據,支撐著終身學習;終身學習的訓練與優化、算法自進化,又能促進邊飛邊學更智能。

  火箭學習有門檻

  控制系統要一次設計,終身適用

  會學習運載火箭的前景美好,但要實現會學習,火箭得先具備足夠的能力。

  “首先是對控制系統算力提出更高要求,需要其具備分佈式異構跨核高速信息交換以及多元異構內存共享調度管理的能力。”禹春梅說。簡言之,就是火箭得擁有足夠聰明的大腦。

  運載火箭結構安裝難免存在誤差,彈性振動、液體晃動、未知環境擾動等因素都會對控制系統產生影響,因而要求火箭對自身健康狀況及飛行狀態具有實時感知能力。例如火箭動力系統典型非致命故障時有發生,需要針對上升段主發動機推力下降,高空飛行段姿控噴管常開、常閉、極性等問題,具備快速準確辨識能力。

  基於在線辨識、感知和自我評估結果,火箭要實現目標在線變更、軌跡在線規劃,控制在線重構等功能,就要具備對環境突變、箭體自身結構參數不確定、典型動力系統故障、任務變更等需求的強適應能力,確保複雜飛行條件和故障情況下飛行穩定,並能夠進入半長軸最大橢圓軌道或者安全停泊軌道。

  迄今為止,長征系列運載火箭已實施349次飛行任務,曆次任務積累了大量數據。這些數據經過統籌和規範管理後,就成為火箭的知識庫。會學習運載火箭從中提取信息、獲取經驗知識,並與智能控制技術相結合,實現自學習能力,從而不斷“成長”。

  此外,火箭要做到終身學習,對控制系統還提出了“一次設計,終身適用”要求,需要其具備一次設計便能覆蓋整個型號生命週期的能力。

  對於會學習運載火箭而言,智能控制系統架構是基礎,基於全生命週期數據的智能控制算法是核心,基於智能算法的強計算能力是載體。

  我國已取得一定進展

  力爭2025年具備會學習能力

  在會學習運載火箭相關技術探索和應用方面,我國已取得一定進展。記者瞭解到,目前北京航天自動控制研究所團隊已開始著手對我國在役運載火箭進行改進,向它們普及學習能力。

2020年10月12日零時57分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功將高分十三號衛星發射升空,衛星順利進入預定軌道。新華社發(郭文彬攝)
2020年10月12日零時57分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功將高分十三號衛星發射升空,衛星順利進入預定軌道。新華社發(郭文彬攝)

  2020年7月9日和10月12日,我國先後從西昌衛星發射中心發射長征三號乙運載火箭。這2次任務除了將衛星送入預定軌道,北京航天自動控制研究所攻關團隊還在箭上搭載了典型動力故障辨識與製導控制重構技術,圓滿完成了飛行試驗驗證。

  “可以說,長征三號乙運載火箭已具備了一定的智能化特徵。”禹春梅表示。目前對長征三號乙運載火箭的改進,僅對算法進行了修改,而種種感知仍是通過原有器件。今後如果要改進得更徹底,還需在箭上增加探測手段。

  對於會學習運載火箭的發展,攻關團隊製定了“兩步走”計劃:在2020年具備強適應能力,意思是讓火箭在一些故障情況下具有更強適應能力,還可以繼續飛行;力爭到2025年具備會學習能力,即讓我國在役的主要運載火箭初步具備學習能力。

  此外,會學習的理念,也將融入到我國在研運載火箭的研製中。

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