彭 越，容 易，王海濤，徐 洋，王子瑜

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

高可靠待發(fā)段地面逃逸指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

彭 越，容 易，王海濤，徐 洋，王子瑜

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

在載人航天任務(wù)中，為確保在運(yùn)載火箭待發(fā)段出現(xiàn)危及航天員生命安全的緊急情況時(shí)能可靠、迅速地實(shí)現(xiàn)航天員的逃逸救生，一般采用待發(fā)段地面逃逸指揮控制系統(tǒng)承擔(dān)待發(fā)段地面逃逸輔助決策、地面逃逸指令生成和發(fā)送的任務(wù)。提出一種基于雙冗余架構(gòu)的高可靠待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集成了冗余供配電控制、冗余網(wǎng)絡(luò)通信和安全控制以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)均突出高可靠性、安全性、人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)及國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，可滿足載人航天待發(fā)段逃逸救生的需求。

載人航天；待發(fā)段逃逸；冗余設(shè)計(jì)

0 引 言

為了確保航天員生命安全，載人航天任務(wù)在待發(fā)段、上升段、在軌段和返回段等不同階段中發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)開展應(yīng)急逃逸救生任務(wù)[1]。其中，待發(fā)段指運(yùn)載火箭發(fā)射前航天員進(jìn)艙到運(yùn)載火箭起飛（含緊急關(guān)機(jī)）的階段。運(yùn)載火箭待發(fā)段過程一般針對(duì)火箭傾倒[1]、推進(jìn)劑泄漏[2]、著火[3]等多種故障模式實(shí)施航天員應(yīng)急逃逸救生，確保能夠在待發(fā)段出現(xiàn)危及航天員生命安全的緊急情況時(shí)可靠、迅速地實(shí)現(xiàn)航天員的逃逸救生。待發(fā)段地面逃逸指揮控制系統(tǒng)一般在載人航天任務(wù)中承擔(dān)待發(fā)段地面逃逸輔助決策、地面逃逸指令生成和發(fā)送的任務(wù)，是承擔(dān)待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的核心系統(tǒng)之一[4～6]。1983年9月26日，蘇聯(lián)發(fā)射聯(lián)盟T10A載人飛船時(shí)，運(yùn)載火箭由于推進(jìn)劑閥門失靈在發(fā)射臺(tái)上爆炸，由待發(fā)段地面逃逸指揮控制系統(tǒng)發(fā)出逃逸指令使飛船成功脫離危險(xiǎn)區(qū)域，挽救了航天員的生命。

本文提出一種基于雙冗余架構(gòu)的高可靠待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集成了自動(dòng)供配電控制、自動(dòng)流程控制、冗余網(wǎng)絡(luò)通信和安全控制以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能，從可靠性、安全性、人機(jī)工學(xué)及國(guó)產(chǎn)化等方面進(jìn)行改進(jìn)，可滿足載人航天待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的需求。

1 待發(fā)段逃逸控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)在運(yùn)載火箭待發(fā)段將根據(jù)飛船、火箭等外系統(tǒng)發(fā)送到待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)的“允許逃逸”、“逃逸請(qǐng)求”等信號(hào)，同時(shí)結(jié)合發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)提供的有關(guān)地勤系統(tǒng)信息，作出是否逃逸的判決。當(dāng)需要逃逸時(shí)，由待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行逃逸約束條件的判斷，當(dāng)滿足約束條件時(shí)向火箭系統(tǒng)逃逸控制設(shè)備發(fā)送逃逸指令。

為了提高待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的可靠性和安全性，本文提出一種基于雙冗余架構(gòu)的高可靠待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)組成如圖1所示。

待發(fā)段地面逃逸控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)（主、從）、虛擬顯示計(jì)算機(jī)、控制組合、供電電源、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（主、從）、防火墻（主、從）等組成。其中控制計(jì)算機(jī)（主、從）作為待發(fā)段逃逸控制信號(hào)處理的核心設(shè)備，主機(jī)、副機(jī)互為冗余備份，其負(fù)責(zé)與外系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口通信、系統(tǒng)內(nèi)信息的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)對(duì)時(shí)等功能。虛擬顯示計(jì)算機(jī)接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的全系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行顯示?？刂平M合由雙冗余PLC設(shè)備組成，負(fù)責(zé)接收控制計(jì)算機(jī)的指令和控制面板的指令，進(jìn)行條件判斷后完成有線逃逸指令輸出，完成與火箭系統(tǒng)逃逸控制設(shè)備的硬件接口通信，并進(jìn)行電源信號(hào)采集?？刂泼姘遑?fù)責(zé)操作人員在網(wǎng)絡(luò)通信異常的情況下進(jìn)行手動(dòng)控制。供電電源負(fù)責(zé)向控制組合提供外部直流供電，并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（主、從）負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信，以及負(fù)責(zé)與外系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。防火墻（主、從）負(fù)責(zé)檢查和過濾本系統(tǒng)與外系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，確保網(wǎng)絡(luò)通信的信息安全。

1.2 工作流程

控制計(jì)算機(jī)（主、從）通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和防火墻與外系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，向控制組合通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送飛船允許逃逸、火箭允許逃逸及發(fā)射場(chǎng)允許逃逸指令等指令狀態(tài)，向虛擬顯示計(jì)算機(jī)發(fā)送系統(tǒng)工作狀態(tài)；控制組合接收供電電源的直流供電輸入并采集電源狀態(tài)，并向供電電源發(fā)送直流輸出控制指令；控制組合接收控制計(jì)算機(jī)（主、從）或控制面板發(fā)出的逃逸指令、發(fā)射/測(cè)試狀態(tài)選擇及電源直流輸出指令，通過直連電纜向火箭系統(tǒng)逃逸控制設(shè)備發(fā)送有線逃逸指令并采集其工作狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)向控制計(jì)算機(jī)（主、從）發(fā)送火箭系統(tǒng)反饋的逃逸狀態(tài)信息。交換機(jī)（主）與交換機(jī)（從）通過互聯(lián)網(wǎng)線進(jìn)行冗余狀態(tài)同步，防火墻（主）與防火墻（從）通過互聯(lián)網(wǎng)線進(jìn)行冗余狀態(tài)同步。待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)工作信息流如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備間及與外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括：計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻等設(shè)備，為提高通信鏈路的可靠性，通信網(wǎng)絡(luò)均采用雙冗余硬件通信鏈路，當(dāng)主鏈路發(fā)生一度故障，都會(huì)冗余切換至備份鏈路，確保網(wǎng)絡(luò)通信正常。

控制計(jì)算機(jī)（主機(jī)、副機(jī)）、虛擬顯示計(jì)算機(jī)均使用雙網(wǎng)卡分別連接主、從交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，計(jì)算機(jī)雙網(wǎng)卡進(jìn)行交換器容錯(cuò)綁定；交換機(jī)與外系統(tǒng)通信通過主、從防火墻，從交換機(jī)之間采用虛擬路由冗余協(xié)議（Virtual Router Redundant Protocol，VRRP），冗余防火墻之間采用心跳同步，交換機(jī)與防火墻之間采用口字形連接關(guān)系。正常狀態(tài)下主通信鏈路為設(shè)備主網(wǎng)卡—主交換機(jī)—主防火墻。

控制計(jì)算機(jī)正常工作狀態(tài)下和故障狀態(tài)下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息流如圖3～6所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信息流鏈路為計(jì)算機(jī)主網(wǎng)卡—主交換機(jī)—主防火墻；當(dāng)計(jì)算機(jī)主網(wǎng)卡發(fā)生故障或主網(wǎng)卡與主交換機(jī)之間的鏈路發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算機(jī)主、從網(wǎng)卡自動(dòng)切換，交換機(jī)不切換，網(wǎng)絡(luò)信息流鏈路切換為計(jì)算機(jī)從網(wǎng)卡—從交換機(jī)—主交換機(jī)—主防火墻；當(dāng)主交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主、從交換機(jī)切換，計(jì)算機(jī)主網(wǎng)卡檢測(cè)到鏈路故障后進(jìn)行主、從網(wǎng)卡自動(dòng)切換，主交換機(jī)通過鏈路數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)或端口數(shù)據(jù)監(jiān)聽進(jìn)行自動(dòng)主、從網(wǎng)卡切換，網(wǎng)絡(luò)信息流鏈路切換為計(jì)算機(jī)從網(wǎng)卡—從交換機(jī)—從防火墻；當(dāng)主防火墻發(fā)生故障或主防火墻與主交換機(jī)之間或外系統(tǒng)的鏈路發(fā)生故障時(shí)，主防火墻可通過端口數(shù)據(jù)監(jiān)聽進(jìn)行自動(dòng)主、從防火墻切換，交換機(jī)不切換，網(wǎng)絡(luò)信息流鏈路切換為計(jì)算機(jī)主網(wǎng)卡—主交換機(jī)—從交換機(jī)—從防火墻。

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)選用的防火墻通過互聯(lián)心跳接口支持雙機(jī)熱備份工作，通過鏈路數(shù)據(jù)和IP檢測(cè)進(jìn)行自動(dòng)故障切換，經(jīng)測(cè)試設(shè)備故障切換后數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)時(shí)間小于1 s。系統(tǒng)選用的主、從交換機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)線進(jìn)行冗余狀態(tài)同步，支持VRRP熱備冗余配置協(xié)議，經(jīng)測(cè)試交換機(jī)故障切換后數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)時(shí)間小于3 s。

2.2 冗余供配電設(shè)計(jì)

供電電源為控制組合輸出提供直流 28 V外部供電，采用雙電源熱備冗余工作，2臺(tái)直流穩(wěn)壓電源互為熱備份，主備電源輸出端通過轉(zhuǎn)接盒設(shè)置正向二極管防止電流倒灌，防止電源短路和斷路失效模式。交流輸入由手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行控制，供電電源的直流輸出由控制組合進(jìn)行控制，電源直流輸出電壓由控制組合進(jìn)行采集。供配電工作原理如圖7所示。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)及評(píng)估

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)中涉及到信息傳遞和逃逸指令傳輸鏈路中的核心設(shè)備均采用冗余設(shè)計(jì)，如控制計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻、控制組合設(shè)備、供電電源均采用雙機(jī)熱備份的方式提高其可靠性，待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)與飛船、火箭、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)等外系統(tǒng)以及系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通信均保證2條通信鏈路，以提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)的正確性，在不同故障狀態(tài)下進(jìn)行了全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余切換試驗(yàn)測(cè)試，分別測(cè)試：a）控制計(jì)算機(jī)及虛擬顯示計(jì)算機(jī)在斷一路網(wǎng)線狀態(tài)下，驗(yàn)證軟件的路由鏈路切換功能；b）控制組合在斷一路網(wǎng)線狀態(tài)下，系統(tǒng)功能的正確性；c）關(guān)閉一個(gè)交換機(jī)供電狀態(tài)下，系統(tǒng)功能的正確性；d）網(wǎng)絡(luò)由故障狀態(tài)恢復(fù)至正常狀態(tài)下，系統(tǒng)功能恢復(fù)的正確性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在不同故障狀態(tài)下全系統(tǒng)冗余切換功能、性能均滿足要求。

與逃逸指令發(fā)出相關(guān)的信號(hào)均采用冗余設(shè)計(jì)，控制面板送入控制組合的信號(hào)為3路硬件冗余采集，內(nèi)部PLC程序進(jìn)行軟件三取二判斷，并采用時(shí)間濾波，防止誤指令輸入；控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的火箭允許逃逸、飛船允許逃逸和地勤允許逃逸信號(hào)采用時(shí)間濾波，PLC設(shè)備1 s內(nèi)連續(xù)3次有效接收，防止誤指令輸入；控制組合輸出逃逸指令采用繼電器雙觸點(diǎn)串并聯(lián)冗余輸出；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用雙冗余熱備份，支持故障狀態(tài)下的自動(dòng)切換；外部供電電源采用主、從熱備份工作；所有線路連接均為雙點(diǎn)雙線。

控制面板上重要開關(guān)，如解鎖、逃逸指令，均采用雙開關(guān)備份，且每個(gè)開關(guān)雙觸點(diǎn)并聯(lián)輸出。

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)可靠性如圖8所示。

系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式如下：

2.4 防誤操作設(shè)計(jì)

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)中針對(duì)防誤操作開展針對(duì)性設(shè)計(jì)工作?？刂平M合PLC設(shè)備通過內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)邏輯連鎖。對(duì)面板輸入開關(guān)量指令信號(hào)采用3路硬件冗余采集，內(nèi)部PLC程序進(jìn)行軟件三取二判斷，防止干擾信號(hào)引起的誤動(dòng)作。有線逃逸指令采用繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)輸出，減少觸點(diǎn)粘連引起的誤指令輸出。

控制面板的按鈕開關(guān)采用嵌入式面板開關(guān)，開關(guān)按鍵動(dòng)作力大防止誤動(dòng)作，并采用不同的醒目顏色進(jìn)行區(qū)分，外加保護(hù)蓋，確保保障面板操作可靠性?？刂泼姘迳显O(shè)置鑰匙型工作開關(guān)，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)面板按鍵無法發(fā)出指令。

控制組合 PLC設(shè)備的嵌入式軟件增強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，從指令采集和指令輸出環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波和冗余判斷設(shè)計(jì)，在PLC設(shè)備啟動(dòng)時(shí)采集到逃逸相關(guān)指令時(shí)不進(jìn)行處理并進(jìn)行提示，防止控制面板開關(guān)使用后忘記恢復(fù)造成誤動(dòng)作。

2.5 人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)

除顯示器、鍵盤鼠標(biāo)及控制面板外，待發(fā)段逃逸控制系統(tǒng)全部設(shè)備均可安裝在標(biāo)準(zhǔn)控制臺(tái)體內(nèi)，全系統(tǒng)共占用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái)位置，其中控制計(jì)算機(jī)（主）、控制計(jì)算機(jī)（從）和虛擬顯示計(jì)算機(jī)屏幕各使用1個(gè)工作臺(tái)位置，控制面板安裝在虛擬顯示計(jì)算機(jī)工作臺(tái)位置?？刂婆_(tái)外形尺寸如圖9所示?？刂婆_(tái)面板布局如圖10所示。

控制面板設(shè)計(jì)充分考慮到操作者的使用習(xí)慣和操作可靠性，并將試驗(yàn)流程和連鎖控制邏輯與面板按鈕、開關(guān)布局進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到快速安裝和維修。

控制面板設(shè)計(jì)及布局如圖11所示，其主要特點(diǎn)如下：

a）控制面板通過螺釘安裝于控制臺(tái)臺(tái)體上表面安裝孔內(nèi)；

b）控制開關(guān)、按鈕均設(shè)置指示燈，重要按鈕設(shè)置保護(hù)蓋；

c）設(shè)置主、從電源直流輸出開關(guān)及指示燈，各設(shè)備電源開關(guān)及指示燈，設(shè)置鑰匙式面板工作開關(guān)；

d）各開關(guān)及按鈕合理布局，相鄰按鈕間距較大并有不同指示燈顏色及文字標(biāo)示區(qū)別，防止誤操作；

e）面板上按鈕、開關(guān)從左至右按照測(cè)試流程布置，主要按鈕的邏輯關(guān)系在面板上利用文字、圖例及指示燈進(jìn)行提示，確保操作者快速了解工作狀態(tài)；

f）控制面板使用螺釘通過安裝孔與控制臺(tái)臺(tái)體連接固定，便于安裝、維修及更換。

2.6 國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)中交換機(jī)、防火墻、計(jì)算機(jī)設(shè)備、控制組合、B碼時(shí)統(tǒng)設(shè)備及地面電源設(shè)備均采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，確保全部設(shè)備的安全性自主可控。計(jì)算機(jī)選用國(guó)產(chǎn)中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件均采用QT跨平臺(tái)開發(fā)工具。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電源設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備及操作系統(tǒng)均采用國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，在運(yùn)載火箭型號(hào)應(yīng)用尚屬首次，并針對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件進(jìn)行了大量的開發(fā)和測(cè)試工作，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行了充分考核，地面電源系統(tǒng)及控制組合設(shè)備均進(jìn)行了補(bǔ)充環(huán)境試驗(yàn)的考核。

3 結(jié) 論

待發(fā)段地面逃逸指揮控制系統(tǒng)是載人航天任務(wù)中承擔(dān)待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的重要系統(tǒng)。本文提出了一種基于雙冗余架構(gòu)的高可靠待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集成了供配電控制、自動(dòng)流程控制、冗余網(wǎng)絡(luò)通信和安全控制以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能。通過系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信冗余設(shè)計(jì)、防誤操作設(shè)計(jì)、連鎖控制邏輯設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，突出高可靠性和安全性，確保待發(fā)段不誤逃、不漏逃；產(chǎn)品充分考慮到操作者的使用習(xí)慣和操作可靠性，通過人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)將試驗(yàn)流程和連鎖控制邏輯與面板布置進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)；核心設(shè)備及軟件均采用國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，確保產(chǎn)品自主可控。高可靠待發(fā)段逃逸指揮控制系統(tǒng)可滿足載人航天待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的需求，有助于提升后續(xù)待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的工作質(zhì)量和測(cè)試效率。

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Research on Key Technology of Pre-launch Escape Command and Control System

Peng Yue, Rong Yi, Wang Hai-tao, Xu Yang, Wang Zi-yu
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

In manned space engineering, pre-launch escape command and control system is required to make the assistant decision and generate the command of pre-launch escape, which is responsible for keeping astronaut safety in emergency. In this paper, a high reliable pre-launch escape command and control system scheme based on dual redundancy architecture is proposed, which contains power control, automatic process control, redundant network communication, security control and remote test function. The system design focuses on high reliability, high safety, ergonomics and equipment localization, and will meet the requirement of manned space program in the future.

Manned space; Pre-launch escape; Redundant design

V445

A

1004-7182(2017)02-0029-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20170207

2016-05-03；

2016-07-01；數(shù)字出版時(shí)間：2017-04-10；數(shù)字出版網(wǎng)址：www.cnki.net

彭 越（1983-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)