李 洪

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

智慧火箭發(fā)展路線思考

李 洪

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

運載火箭與新一代信息與制造技術的結合將打破傳統(tǒng)運載火箭研制理念和工作流程模式，推動相關領域的變革發(fā)展，最終形成采用數(shù)據(jù)驅(qū)動研制流程、由智能產(chǎn)品組成的“智慧火箭”。提出了智慧火箭的建設目標，針對智慧火箭所包含的智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能過程控制進行探討。

智慧火箭；智能研制；智能產(chǎn)品；智能制造；智能過程控制

0 引言

新一代信息技術與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，正在引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的研制體系、生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)與商業(yè)模式。目前各國都在加大科技創(chuàng)新力度，以工業(yè)4.0、中國制造2025、3D打印、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、新材料、新能源等為代表的新領域、新技術取得跨越式的突破[1]。

在“十二五”期間及后續(xù)，伴隨著我國新一代運載火箭研制成功，我國運載火箭型譜不斷完善，產(chǎn)品技術性能接近國際先進水平，進入空間能力不斷提升。近期，我國深入開展了運載火箭發(fā)展路線規(guī)劃論證，基本明確了后續(xù)發(fā)展路線，為我國運載火箭向更加先進的方向發(fā)展理清了思路[2-5]。

但是應清醒地認識到，全球正在如火如荼地進行著第四次科技革命，在論證運載火箭發(fā)展規(guī)劃、進一步明確后續(xù)型號發(fā)展思路與發(fā)展方向的同時，仍有必要對運載火箭技術發(fā)展方向進行深入的思考。下一代運載火箭如果要在產(chǎn)品性能上實現(xiàn)質(zhì)的突破，就必須完成基礎技術的跨越式變革，就目前來看，基礎技術的跨越式變革就是傳統(tǒng)運載火箭領域與新興領域的深度跨界技術融合；就是傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)抓住目前國內(nèi)面臨的嶄新機遇，實現(xiàn)革命性的技術革新，創(chuàng)造出新的航天發(fā)展生態(tài)。

基于上述理念與思考，本文在回顧我國運載火箭設計理念發(fā)展歷程的基礎上提出了基于智能信息的智慧火箭設計概念和建設目標，構思了智慧火箭發(fā)展思路，針對智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能過程控制進行了探討和設想。

1 運載火箭設計理念發(fā)展歷程

我國運載火箭起步于20世紀60年代，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，經(jīng)歷了從無到有、從小到大，從綜合性能提升到產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全面發(fā)展，形成了4代17種運載火箭的長征火箭家族型譜，具備了發(fā)射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力，使我國正式邁入了航天大國的行列，并逐步向航天強國轉(zhuǎn)變。

在過去的研制歷程中，我國運載火箭設計理念和設計方法逐步完善，形成了基于偏差的設計方法和基于有限故障的設計方法，并在我國現(xiàn)役運載火箭工程設計中得到了成功實踐。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的來臨，以長征五號、長征七號火箭為代表的新一代運載火箭開始探索基于數(shù)據(jù)的設計方法。而未來運載火箭將是傳統(tǒng)運載火箭與新一代信息技術的重塑性融合，是形成“運載火箭+工業(yè)4.0”“運載火箭+互聯(lián)網(wǎng)”“運載火箭+物聯(lián)網(wǎng)”“運載火箭+云計算”“運載火箭+大數(shù)據(jù)”的深度過程，是新一代信息與制造技術與運載火箭產(chǎn)業(yè)劇烈的“化學反應”，將打破傳統(tǒng)運載火箭研制理念，形成基于智能信息的智慧火箭體系。

1.1 基于偏差的運載火箭設計

在我國運載火箭研制的初期階段，科研設計人員克服了工業(yè)化程度落后、理論基礎薄弱、研制經(jīng)驗缺乏的困難，逐步摸索形成了基于偏差的包絡設計方法。通過對飛行過程中各種影響因素的最大可能偏離情況進行綜合考慮，形成綜合偏差下的最大包絡，之后通過設計火箭的各項參數(shù)指標滿足設計裕度，以適應偏差包絡下的飛行工況。采用基于偏差的設計方法，成功完成了以長征一號、長征二號為代表的我國第一代運載火箭，實現(xiàn)了我國運載火箭事業(yè)的從無到有。

1.2 基于有限故障的運載火箭設計

在偏差設計的基礎上，運載火箭設計過程中引入了FMEA分析方法，系統(tǒng)實現(xiàn)了全箭故障模式識別和分析，根據(jù)FMEA分析結果對識別出的故障模式，通過冗余設計等手段進行改進，大大提升了系統(tǒng)可靠性。隨著計算機仿真技術的廣泛應用，實現(xiàn)了通過計算機模擬飛行打靶的方式，對各種飛行工況和故障模式進行仿真，大大提升了設計效率。通過有限故障的設計方法，奠定了長征二號丙和長征三號甲系列運載火箭等我國首批金牌火箭的基礎。在長征二號F載人運載火箭上實現(xiàn)了針對特定關鍵故障模式的自動箭上故障診斷并執(zhí)行航天員逃逸的故障診斷處理功能。

1.3 基于數(shù)據(jù)的運載火箭設計

隨著技術的進步，以長征五號、長征七號為代表的新一代運載火箭及以遠征一號、遠征二號為代表的系列化上面級在數(shù)字化設計水平上進一步提升，逐步開展了基于數(shù)據(jù)的運載火箭設計，在產(chǎn)品數(shù)字化設計、數(shù)字化三維模裝、三維圖紙生產(chǎn)、數(shù)學仿真建模、數(shù)字信息系統(tǒng)建設等方面取得了顯著進展，基本實現(xiàn)了圖紙、文件的數(shù)字化設計，產(chǎn)品模型的數(shù)字化分析，信息化基礎設施得到了廣泛建設，極大地提升了產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的設計生產(chǎn)周期和成本。

1.4 基于智能信息的的智慧火箭設計

對標國內(nèi)外運載火箭最新發(fā)展，以NASA為代表的國家科研體和以SpaceX為代表的新興商業(yè)航天公司在全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機的虛擬設計、智能化飛行控制和自主返回、低成本快速生產(chǎn)制造等領域取得了突破和領先。與之相比，我國運載火箭設計水平還存在一定差距，存在數(shù)字化研制流程沒有完全打通、數(shù)據(jù)沒有充分共享、數(shù)據(jù)價值挖掘程度不高、產(chǎn)品智能化程度低等瓶頸問題，遠遠不能滿足我國未來成為航天強國對運載火箭研制的需求。

因此，未來一代運載火箭設計將以運載火箭技術與智能信息化技術融合發(fā)展為總體思路，打通運載火箭全數(shù)字化閉環(huán)設計仿真試驗制造主線，以產(chǎn)品數(shù)字化設計、制造、試驗、應用為重點，解決新型運載火箭研制全流程全環(huán)節(jié)所存在的效率、技術、制造和質(zhì)量控制問題，形成信息化高效集同的運載火箭研制流程，實現(xiàn)基于智能信息的智慧火箭設計。

2 智慧火箭基本概念

智慧火箭的核心概念是在全壽命周期研制模式下，運載火箭具備相當?shù)闹悄芑?，其本質(zhì)是“運載火箭+創(chuàng)新”，其發(fā)展方向是傳統(tǒng)運載火箭與新一代信息與制造技術的結合，其表現(xiàn)形式是“智慧火箭=智能研制+智能產(chǎn)品+智能制造+智能過程控制”。

總之，“智慧火箭”是融合目前高效的信息化思路和手段對現(xiàn)有運載火箭全面升級，是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的總體專業(yè)數(shù)字化設計能力與虛實結合的數(shù)字化驗證能力的研制模式升級，是基于故障診斷與信息應用技術發(fā)展的智能產(chǎn)品升級，是基于中國制造2025工業(yè)體系變革的智能制造升級，是基于大數(shù)據(jù)應用的智能過程控制升級，最終將推動全生命周期研制流程的跨越式優(yōu)化，實現(xiàn)新型運載火箭研制效率、質(zhì)量、技術水平的全面提升，創(chuàng)造出適應于“智慧火箭”研制、產(chǎn)品制造、過程控制的全新生態(tài)環(huán)境。

3 智慧火箭目標規(guī)劃

3.1 智能研制

智能研制的目標在于實現(xiàn)設計和試驗效率的提升，具體表現(xiàn)為：一是縮短研制周期，由當前設計、生產(chǎn)、試驗、發(fā)射的串行流程轉(zhuǎn)化為基于虛擬樣機的并行流程，1周完成總體構型優(yōu)化、1個月完成總體方案設計、1年完成試驗產(chǎn)品生產(chǎn)和總體設計優(yōu)化，方案設計一次成功率100%，大型火箭研制周期縮短到5年。二是大幅度提升數(shù)字試驗能力，振動、環(huán)境、模態(tài)、氣動等數(shù)字化試驗理論預示和驗證能力大幅提升，實物試驗數(shù)量減少50%，大型地面試驗周期縮短50%。

3.2 智能產(chǎn)品

智能產(chǎn)品的目標在于實現(xiàn)運載火箭飛行過程和地面測試發(fā)射過程信息應用水平提升，具體表現(xiàn)為：

1)火箭飛行過程具備一定的故障檢測、診斷與處理能力，能夠保證火箭在一定的故障模式下完成飛行任務。以我國遠征系列新型液體上面級為例，在設計中引入可通過地面上行指令進行彈道重規(guī)劃策略，在基礎級火箭飛行超差情況下，可通過重新規(guī)劃飛行彈道將航天器送入預定軌道。

2)火箭具備地面信息綜合應用能力，實現(xiàn)前后端協(xié)同的遠程測發(fā)控，實現(xiàn)基于自動故障診斷的一鍵測試發(fā)射，測試發(fā)射準備周期15天以內(nèi)，靶場測試人員減少70%。

3)全面提升電氣產(chǎn)品可測試水平，實現(xiàn)結構、管路、閥門的機電一體化和物聯(lián)網(wǎng)化，提升機械類產(chǎn)品的測試性，不可檢、不可測項目減少80%；實現(xiàn)箭上無線化傳感網(wǎng)絡，箭地數(shù)據(jù)傳輸無纜化，箭上電纜質(zhì)量減少60%。

3.3 智能制造

智能制造的目標在于實現(xiàn)基于虛擬網(wǎng)絡+實體物理的智能化制造能力，具體表現(xiàn)為：

1)實現(xiàn)基于3D打印的試件快速制造能力，提供功能多樣、性能穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。

2)形成全數(shù)控數(shù)字化生產(chǎn)執(zhí)行能力，產(chǎn)品加工一次合格率100%，生產(chǎn)周期縮短50%。

3.4 智能過程控制

智能過程控制的目標在于實現(xiàn)運載火箭單機、零部組件等產(chǎn)品在設計、制造、試驗與總裝測試發(fā)射等全流程中的智能化質(zhì)量過程控制能力提升，具體表現(xiàn)為：

1)100%重要單機、零部組件實現(xiàn)全壽命周期的關鍵技術指標數(shù)據(jù)、質(zhì)量信息信息化采集，并能夠?qū)ι鲜鰯?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析與深度應用，實現(xiàn)全流程基于大數(shù)據(jù)分析的過程控制，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的100%可量化、可追溯、可分析。

2)提升標準規(guī)范應用、編校審批等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)的信息化能力與水平。

4 智慧火箭建設思路

智慧火箭建設的基本思路是“依托一個基礎平臺，打造四個體系”，即：依托新一代信息與制造技術基礎支撐平臺，打造智慧火箭智能研制體系、智能產(chǎn)品體系、智能制造體系以及智能過程控制體系，形成以基礎平臺為智慧火箭提供技術支撐，以研制體系牽引產(chǎn)品體系、制造體系和質(zhì)量控制體系的智慧火箭體系架構。

4.1 智能研制

智能研制體系將圍繞數(shù)字化研制流程、數(shù)字化設計能力、數(shù)字化試驗驗證能力進行建設，支撐各研制階段需求，最終實現(xiàn)智慧火箭專業(yè)研制能力的全方位提升。

4.1.1 數(shù)字化研制流程

國際上數(shù)字化設計、制造、仿真等技術已經(jīng)在航空航天領域得到廣泛應用，并取得巨大效益。NASA、ESA、波音、洛-馬、SpaceX等機構與公司分別建立了各自的數(shù)字化協(xié)同設計平臺。通過數(shù)字化的協(xié)同設計、仿真分析、虛擬裝配與制造等技術手段，極大地提高了設計與制造效率，減少了設計更改和工程返工，大幅度縮短了研制周期，顯著降低了研制成本。在國內(nèi)航天系統(tǒng)中，大量商業(yè)或自主開發(fā)的CAD、CAE等設計工具及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM(Product Data Management)、產(chǎn)品全生命周期管理PLM(Product Lifecycle management)等系統(tǒng)的應用，已經(jīng)在火箭的各專業(yè)、各分系統(tǒng)、各設備的設計、生產(chǎn)、試驗等環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用，初步實現(xiàn)了結構、電氣等分系統(tǒng)的數(shù)字化設計、制造，以及運載火箭基本的信息化管理。

為更充分地發(fā)揮信息化技術在可重復性、低消耗、高效率等方面的優(yōu)勢，縮短研制周期，節(jié)約研制經(jīng)費，需要在現(xiàn)有的火箭信息化設計基礎上，打通總體與分系統(tǒng)之間、各分系統(tǒng)之間、分系統(tǒng)與設備之間的數(shù)據(jù)傳遞接口，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心，開展基于虛擬樣機的全生命周期研制。

數(shù)字化研制流程的主要特點包括：

1)圍繞統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展全箭設計，充分發(fā)揮數(shù)字化技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)由數(shù)據(jù)驅(qū)動代替文字驅(qū)動，實現(xiàn)由數(shù)據(jù)集成代替產(chǎn)品集成，實現(xiàn)由數(shù)據(jù)維護代替文件維護，提高總體小回路設計和多方案對比論證的效率。

2)采用數(shù)字化技術開展數(shù)字化火箭總體及各分系統(tǒng)、設備的方案樣機設計，建立集成有三維制造信息、物理性能信息的全數(shù)字化火箭性能樣機，完成總體、各分系統(tǒng)、設備的相關性能仿真分析。

3)采用“虛實結合”的試驗手段，以輔助實物驗證、提高實物驗證效率、補充試驗手段為目標，為全面考核全數(shù)字化設計性能提供試驗數(shù)據(jù)和分析手段。

4)發(fā)展虛擬制造和實體制造兩條主線，為柔性制造推廣和應用創(chuàng)造條件，形成數(shù)字化協(xié)同研制能力、數(shù)字化工藝設計能力、數(shù)字化虛擬制造能力，實現(xiàn)快速響應、工藝可靠、精益生產(chǎn)、質(zhì)量可控。

4.1.2 數(shù)字化設計能力

傳統(tǒng)運載火箭總體回路設計通過多輪分析、設計逐步逼近最優(yōu)，整個過程是串行工作流程，自動化程度和效率較低；各環(huán)節(jié)設計數(shù)據(jù)以文件形式傳遞，各專業(yè)間仿真設計工具之間未能形成便捷、暢通的輸送渠道，成為信息“孤島”。

數(shù)字化設計能力將實現(xiàn)“無紙化”設計，信息傳遞以“參數(shù)驅(qū)動”代替?zhèn)鹘y(tǒng)“文字驅(qū)動”，以數(shù)據(jù)集成代替產(chǎn)品集成，以數(shù)據(jù)維護代替文件維護；以大數(shù)據(jù)和云平臺為核心，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化火箭產(chǎn)品模型；各專業(yè)設計工具通過“參數(shù)驅(qū)動”和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源對總體回路設計進行迭代優(yōu)化，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)模板的設計任務書自動生成和更新；以產(chǎn)品模型進行CAE設計，完成數(shù)字模裝、結構強度分析、模態(tài)分析等數(shù)字仿真分析。

智慧火箭協(xié)同設計環(huán)境是運載火箭數(shù)字化設計的載體，主要包括智慧設計工程門戶、設計工具體系、模型驅(qū)動、知識資源中心、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等部分。其中，運載火箭智慧設計工程門戶將設計相關的流程、工具以及設計知識資源進行有機整合，為運載火箭研制提供智慧管理功能；設計工具體系為運載火箭智慧設計提供專業(yè)設計環(huán)境，由設計工具智能定制平臺提供基礎框架，統(tǒng)籌設計工具的接口形式，使其具備與知識資源中心、協(xié)同設計環(huán)境之間進行系統(tǒng)間交互的能力；模型驅(qū)動的協(xié)同設計環(huán)境能夠為總體數(shù)字化系統(tǒng)設計、結構數(shù)字化協(xié)同設計、電氣數(shù)字化協(xié)同設計提供支撐，圍繞總體參數(shù)模型、結構和電氣系統(tǒng)幾何樣機及性能樣機模型開展協(xié)同設計；知識資源中心能夠?qū)\載火箭研制過程中所需的設計參考數(shù)據(jù)提供支持，與設計工具、協(xié)同設計環(huán)境之間具備交互接口，能夠與智慧試驗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，為試驗方案定制、試驗數(shù)據(jù)判讀、試驗結果分析等提供參考；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對設計數(shù)據(jù)、文檔、模型進行管控，具備與智慧生產(chǎn)系統(tǒng)的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)設計—制造信息雙向傳遞，為智慧火箭工程的設計、生產(chǎn)一體化奠定基礎。

4.1.3 數(shù)字化試驗驗證能力

目前，運載火箭系統(tǒng)總體集成試驗以實物試驗為主，但大型實物試驗(尤其是結構試驗、全箭模態(tài)試驗等)具有子樣小、周期長、費用高、風險大等特點，同時也面臨著試驗真實環(huán)境難以模擬、樣本少、產(chǎn)品效能缺乏全面有效考核手段等共性問題，成為研制周期優(yōu)化上的短線和瓶頸。

采用“虛實結合”的數(shù)字化驗證試驗技術，以驗證總體方案的合理性和可行性。以大數(shù)據(jù)、云計算技術支撐虛擬試驗，以物聯(lián)網(wǎng)、3D打印技術支撐實物試驗，打通虛擬試驗與實物試驗的信息鏈路，形成虛擬試驗驗證平臺進行理論預示以輔助實物試驗，提高運載火箭系統(tǒng)的試驗驗證水平。

采用虛擬試驗樣機VTP(Virtual Test Prototype)技術、一體化試驗鑒定IT&E(Integrated Test and Evaluation)技術等，通過對已有型號試驗數(shù)據(jù)及知識的集成與開發(fā)，建立虛擬試驗樣機，提高虛擬試驗精確度；研制實物試驗樣機、縮比試驗樣機，通過虛實結合的方式，以部分虛擬試驗替代實物試驗進行提前驗證、評估，對設計、工藝方案、產(chǎn)品可靠性和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性進行驗證。

通過實時感知試驗設備狀態(tài)、儀器儀表計量信息、試驗環(huán)境信息等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集與處理，并形成大數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、管理體系；基于試驗知識庫與規(guī)則庫進行試驗方案的快速確定、試驗數(shù)據(jù)智能判讀；通過建立故障庫，實現(xiàn)智能化的故障診斷與預測；利用大數(shù)據(jù)挖掘分析技術快速提煉總結試驗規(guī)律，對后續(xù)試驗的改進優(yōu)化提出指導性意見，提高試驗效率，提升試驗能力；通過歷史積累的大量試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，實現(xiàn)在初步設計階段對彈箭進行性能評估；通過對歷史數(shù)據(jù)進行挖掘，提煉潛在規(guī)律，對彈箭設計方案改進優(yōu)化提出指導性意見。

4.2 智能產(chǎn)品

智慧火箭產(chǎn)品將以物聯(lián)網(wǎng)化、功能聚合化、大數(shù)據(jù)化為總體指導思想，以智能自主控制、智能信息應用、智能傳輸、智能測控為抓手，信息感知、信息傳輸和信息挖掘能力大大提升，實現(xiàn)智慧火箭的信息應用與傳輸能力、結構電氣一體化水平、智能測控應用能力的跨越。

4.2.1 智能自主控制

目前運載火箭飛行控制仍普遍采用攝動制導，迭代制導方式逐步進入工程應用，飛行過程中的實時故障診斷技術尚不成熟，暫不具備飛行任務自主規(guī)劃、自主返回，飛行過程自主診斷、重構的能力。

智能自主控制將實現(xiàn)箭上信息的資源互通、共享，實現(xiàn)飛行過程中的箭上自主故障檢測、故障定位和故障隔離，飛行控制將具備根據(jù)故障檢測結果自動進行資源動態(tài)分配和冗余切換，進行飛行任務的自主調(diào)整，提高飛行的可靠性；具備短期在軌期間的自主任務規(guī)劃能力，提高對任務的適應性；實現(xiàn)運載火箭各子級的精確自主返回控制，落地回收后進行箭上設備狀態(tài)的自主診斷和健康狀態(tài)評估，縮短檢修維護周期。

4.2.2 智能信息應用

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，箭上產(chǎn)品將作為具備感知、診斷、處理于一體的智慧節(jié)點，能夠獨立實現(xiàn)自檢測、自測試與自校正，利用總線技術形成信息共享的通用網(wǎng)絡平臺，通過標準接口無縫接入平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)平臺化、接口標準化和單機智能化。電氣產(chǎn)品單機功能集成化程度大幅提高，逐步實現(xiàn)功能模塊專用芯片化，功耗大幅降低；同時具備較強的機內(nèi)自檢測(Built-In-Test, BIT)能力，形成統(tǒng)一的測試性設計和標準規(guī)范要求，作為全箭層次故障診斷的信息基礎。通過故障診斷進行全箭信息綜合處理，實現(xiàn)以信息驅(qū)動的全箭自主測試、冗余重構、健康預測等功能。

智能信息應用產(chǎn)品的主要實施途徑包括：

1)電氣系統(tǒng)單機設備實現(xiàn)自檢、故障定位和快速更換能力，通過統(tǒng)一總線網(wǎng)絡按照統(tǒng)一接口格式進行檢測信息傳輸。

2)單機級實現(xiàn)自身狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測、隔離，系統(tǒng)級實現(xiàn)故障診斷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸、存儲和分析。

3)打通設計、測試、發(fā)射各節(jié)點網(wǎng)絡通信鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫互聯(lián)、統(tǒng)一管理。

4.2.3 智能測試發(fā)射應用

國外運載火箭在故障診斷技術方面取得了顯著進步，F(xiàn)alcon9火箭及日本Epsilon火箭多次在射前通過自動故障診斷技術發(fā)現(xiàn)問題，其從箭上到地面、從單機到系統(tǒng)各層次的自主智能化測試能力逐步成熟，地面測試發(fā)控設備不斷簡化，基本實現(xiàn)了快速測試發(fā)射能力。目前，我國運載火箭電氣設備的單機BIT能力、全箭自動測試和自動故障診斷能力不足，出廠及靶場測試時間周期長、現(xiàn)場人員多，任務快速響應、發(fā)射流程優(yōu)化以及遠程測發(fā)控能力亟需提升。

智能測控產(chǎn)品的主要實施途徑包括：

1)以自動故障診斷為基礎，自動通過數(shù)據(jù)包絡和閾值對火箭電氣系統(tǒng)狀態(tài)進行判斷，對動態(tài)數(shù)據(jù)進行評估與預測，實現(xiàn)地面一鍵測發(fā)控能力。

2)以大數(shù)據(jù)為基礎，對歷次發(fā)射中的測試數(shù)據(jù)進行集中存儲與綜合應用，挖掘故障診斷判據(jù)知識，為指揮決策提供智能輔助。

3)基于自動測試技術和高速網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測、排故、發(fā)射控制，減少前端工作人員數(shù)量，從遠程提供專家經(jīng)驗、輔助排故支持，滿足設計人員跨地域進行技術支持的需求，實現(xiàn)測試發(fā)射的智慧靶場。

4)將飛行控制功能與地面測發(fā)控功能進行融合設計，以箭上自主測試、自主診斷為主導，簡化箭地數(shù)據(jù)接口和地面測試設備，使便捷式電腦遠程測控和移動發(fā)射成為可能。

4.2.4 智能信息傳輸

隨著無線信號傳輸技術的不斷發(fā)展，電氣系統(tǒng)已經(jīng)全面進入到無線時代，以WiFi為代表的射頻無線通信，以LiFi(Light Fidelity)為代表的光學無線通信技術，以無線充電聯(lián)盟提出的Qi標準為代表的無線供電技術以及天基中繼無線測控技術也正在逐步普及。傳統(tǒng)運載火箭箭上電氣系統(tǒng)箭上電纜設計復雜、質(zhì)量大，箭地及前后端數(shù)據(jù)傳輸以有線通信為主，飛行過程中箭地數(shù)據(jù)傳輸嚴重依賴地面測控系統(tǒng)。

智能傳輸產(chǎn)品的主要實施途徑包括：

1)采用無線傳感網(wǎng)絡技術可取消箭上傳感器末端電纜，傳感器拓撲結構重構更加便捷。

2)研究無線光通信技術，避免電磁兼容影響，可提高數(shù)據(jù)無線接入的通信容量、保密性。

3)研究無線供電技術，簡化箭上供電電纜，推動火箭無纜化設計。

4.3 智能制造

在運載火箭研制過程中，箭體結構的設計制造占整個運載火箭研制成本的20%以上，結構設計水平的高低直接影響火箭的工作性能。目前，我國運載火箭結構的產(chǎn)品制造基于傳統(tǒng)的加工制造模式，工業(yè)自動化水平不足。而在工業(yè)4.0的制造體系下，國外運載火箭廣泛采用先進3D打印、CAD/CAM一體化柔性制造等智能制造技術，我國制造技術的差距愈發(fā)明顯。

隨著工業(yè)4.0概念的不斷延伸，運載火箭的制造業(yè)需要以數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡化和智能化技術為基礎，建立面向未來的制造系統(tǒng)和生產(chǎn)模式，通過三維圖紙下廠制造、數(shù)字化模裝、3D打印、柔性制造，實現(xiàn)由數(shù)字模型驅(qū)動的“智慧工廠”。通過應用數(shù)字化手段構建并行協(xié)同與仿真虛擬驗證條件，對制造模式及流程進行創(chuàng)新，發(fā)展虛擬制造和實體制造兩條主線，加強仿真技術在產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的應用，以虛擬制造逐步替代驗證性的實物制造。

以裝備數(shù)字化、工藝數(shù)字化以及流程數(shù)字化提升智能化制造能力，大力推動數(shù)字化加工技術、數(shù)字化測量技術以及數(shù)字化裝配技術發(fā)展，基于三維模型開展工藝、工裝設計及過程和數(shù)據(jù)管理，建立適應全數(shù)字化傳遞的零件數(shù)字化工藝設計、數(shù)字化加工和檢測綜合自動化集成應用環(huán)境，縮短產(chǎn)品制造周期，提高數(shù)控綜合應用效率，提高結構件制造快速響應能力，實現(xiàn)高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和低成本產(chǎn)品數(shù)字化制造的目的。

4.4 智能過程控制

隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，運載火箭面臨的內(nèi)外部環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化，新的形勢與任務對我們提出了更高的要求，質(zhì)量過程控制作為航天研制的永恒主題，同樣需要創(chuàng)新的手段和方法來滿足當前形勢的需求。在智能質(zhì)量過程控制中主要解決兩方面的問題：基于大數(shù)據(jù)的全過程控制，以及質(zhì)量過程控制的信息化水平問題。

4.4.1 基于大數(shù)據(jù)的全過程控制

高度自動化的設備生產(chǎn)、測試，將產(chǎn)生數(shù)量巨大、種類繁多的測試結果。傳統(tǒng)的統(tǒng)計質(zhì)量管理方法面對這種新場景往往束手無措，不僅對工作量的龐大與繁瑣，更是對于數(shù)量巨大的過程參數(shù)中的關聯(lián)性很難識別，無法對產(chǎn)品的總體質(zhì)量進行全面認識和總結。質(zhì)量離不開數(shù)據(jù)，質(zhì)量的本質(zhì)就是數(shù)據(jù)，無論在產(chǎn)品的設計環(huán)節(jié)還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)，都依賴大量數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術可以將精細化質(zhì)量管控與海量數(shù)據(jù)分析進行有機結合。智慧火箭的質(zhì)量過程控制將是基于大數(shù)據(jù)的全過程質(zhì)量控制。

基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量過程管理可以完成海量歷史數(shù)據(jù)的特征識別與對比，將不同型號的相同或類似產(chǎn)品的測試結果進行橫向、縱向多維度的數(shù)據(jù)挖掘，包括歷史包絡分析、門限自動生成、故障模式關聯(lián)性分析；基于大數(shù)據(jù)技術進行地面測試設備檢修周期、剩余壽命的預測性分析，根據(jù)預測結果進行定期更換或維修，提高維修保障效率；相對于小數(shù)據(jù)時代的小樣本分析，大數(shù)據(jù)時代的海量信息挖掘?qū)⒁允录g的相關關系代替事件之間的因果關系，發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的潛在規(guī)律性，以數(shù)據(jù)分析結果作為質(zhì)量管控措施持續(xù)改進的依據(jù)。

大數(shù)據(jù)分析對整個設計—生產(chǎn)—測試環(huán)節(jié)的快速分析、反饋將大大減少重復性質(zhì)量問題的發(fā)生，加強舉一反三的有效性，充分利用海量數(shù)據(jù)的價值，有利于提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平。

4.4.2 質(zhì)量過程控制的信息化水平

目前質(zhì)量管理信息化建設工作主要存在如下問題：1)質(zhì)量管理要求的落實信息化手段亟待加強；2)可靠性設計方法的信息化手段建設亟待加強；3)質(zhì)量管理信息化和設計信息化結合工作亟待加強；4)從設計、生產(chǎn)到試驗的全過程質(zhì)量控制亟待打通。因此在后續(xù)的質(zhì)量過程信息化建設中，可主要研究如下幾方面的問題。

1)基于設計流程建立系統(tǒng)的質(zhì)量管控體系，過程管理是各類管理工作的基礎，質(zhì)量管控也必須基于過程進行，系統(tǒng)地梳理航天型號研發(fā)設計流程，以研發(fā)設計流程為基礎，將質(zhì)量管理工作嵌入其中是做好質(zhì)量管理信息化建設工作的基礎。

2)質(zhì)量管理平臺與設計平臺信息化建設相結合，借助信息化手段促進設計人員對于質(zhì)量管理規(guī)定的理解，提高工作效果，這是杜絕設計研發(fā)活動和質(zhì)量管理“兩張皮”的重要保證。

3)針對專門可靠性分析方法結合型號實際情況，不斷開發(fā)相關分析工具，嵌入到設計平臺中，并融入設計流程。

4)利用航天型號系統(tǒng)工程優(yōu)勢打通產(chǎn)品研制開發(fā)的全流程，逐步將產(chǎn)品的驗收交付工作從文件、合格證轉(zhuǎn)變到電子化數(shù)據(jù)包和實物相結合，建立航天型號產(chǎn)品信息化管控系統(tǒng)，從根本上提升質(zhì)量過程控制的能力與水平。

5 結語

智慧火箭是傳統(tǒng)運載火箭與新一代信息技術的全面有機結合，為了實現(xiàn)智慧火箭設計、制造、試驗、應用的全面躍升，本文提出了“依托一個基礎平臺，打造四個體系”的智慧火箭體系架構基本思路。通過對智慧火箭智能研制、智能產(chǎn)品、智能制造以及智能質(zhì)量過程控制的論證和實施建設，將滿足后續(xù)運載火箭高密度發(fā)射、快速設計制造、可靠性提高及市場化競爭的需要。

[1] 劉梅，劉洋，劉曉松.“互聯(lián)網(wǎng)+”對航天傳統(tǒng)制造業(yè)的挑戰(zhàn)與機遇[J]. 航天工業(yè)管理，2016(1):19-21.

[2] 龍樂豪.我國航天運輸系統(tǒng)發(fā)展展望[J]. 航天制造技術，2010(3):2-6.

[3] 吳燕生.中國航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展與未來[J]. 導彈與航天運載技術，2007(5):1-4.

[4] 陳海東, 沈重，張冶,等.航天數(shù)字化應用技術的發(fā)展與趨勢[J]. 導彈與航天運載技術，2008 (3):23-27.

[5] 龍兵, 宋立輝，荊武興,等.航天器故障診斷技術回顧與展望[J]. 導彈與航天運載技術，2003 (3):31-37.

The Developing Roadmap of Intelligent Launch Vehicle

LI Hong

(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)

Along with the combining of traditional industry and cutting edge technology of information and manufacturing, the development concepts and work patterns of the research and development of launch vehicle would need to be momentously changed. In this paper, a novel concept of Intelligent Launch Vehicle (ILV) is proposed, which implements data-driven development process and is comprised of intelligent components. The guidelines, principles and goals of ILV are introduced. And then, the construction contents of ILV are discussed, such as intelligent research, intelligent product, intelligent manufacturing and intelligent process control. With the development of ILV, the requirement of high-density launch would be satisfied, and the reliability and market competitiveness would be significantly increased.

Intelligent launch vehicle; Intelligent research;Intelligent product; Intelligent manufacturing; Intelligent process control

2017-02-23；

2017-04-21

李洪(1964-)，男，研究員，中國運載火箭技術研究院院長，主要從事運載火箭總體技術研究。

V421

A

2096-4080(2017)01-0001-07