付毅飛

對于會學(xué)習(xí)運載火箭的發(fā)展，攻關(guān)團隊制定了“兩步走”計劃：在2020年具備強適應(yīng)能力，意思是讓火箭在一些故障情況下具有更強適應(yīng)能力，還可以繼續(xù)飛行;力爭到2025年具備會學(xué)習(xí)能力，即讓我國在役的主要運載火箭初步具備學(xué)習(xí)能力。

在人類航天史上，航天發(fā)射任務(wù)具有高風(fēng)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(biāo)。對此，火箭飛行控制系統(tǒng)起到至關(guān)重要作用。

據(jù)統(tǒng)計，在1990年至2000年間，歐、美、日、俄運載火箭發(fā)射失敗案例中，約有40%的失利有可能利用先進導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)補救挽回，從而繼續(xù)完成任務(wù)或者降級完成任務(wù)。近幾年，獵鷹9號、德爾塔4運載火箭均出現(xiàn)過飛行中發(fā)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(wù)。

筆者從北京航天自動控制研究所了解到，我國正在研制會學(xué)習(xí)的運載火箭。該所副所長禹春梅介紹，該技術(shù)是將智能技術(shù)引入導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制等各個任務(wù)環(huán)節(jié)，使運載火箭變得更加聰明、自主，對復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)狀況具備更強的主動適應(yīng)能力，從而能在更大程度上確保完成任務(wù)。

1、邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)感知周邊的環(huán)境，積累數(shù)據(jù)自我改進

對于火箭而言，飛行控制系統(tǒng)相當(dāng)于它的大腦。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(xué)習(xí)起來具備兩大特征。

禹春梅介紹，傳統(tǒng)火箭的飛行策略及軌道是提前設(shè)計好的，如果在飛行過程中遭遇事先沒有預(yù)料到的復(fù)雜空間環(huán)境，火箭飛行軌跡無法在線調(diào)整。另外，如果火箭上出現(xiàn)如動力系統(tǒng)故障等突發(fā)情況，又不能及時采取措施，很可能會導(dǎo)致任務(wù)失敗。

但會學(xué)習(xí)運載火箭則具有邊飛邊學(xué)特征。其控制系統(tǒng)能充分利用箭載多源信息，使火箭實現(xiàn)飛行狀態(tài)與環(huán)境在線辨識、運載及控制能力在線評估、軌跡在線規(guī)劃、控制在線重構(gòu)、目標(biāo)在線變更等功能。簡單來說，它可以實時感知自己周邊的環(huán)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(fā)現(xiàn)問題，它會評估自己的能力，根據(jù)實際情況采取相應(yīng)措施，或是對任務(wù)計劃進行調(diào)整。“例如火箭檢測到二級發(fā)動機出現(xiàn)故障了，它可以提前實施二三級分離，啟動三級發(fā)動機繼續(xù)飛行。即使無法按預(yù)定計劃完成任務(wù)，也可以在重新構(gòu)建控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上規(guī)劃新的軌跡，飛向安全軌道或降級軌道，盡可能減少損失?！庇泶好氛f。

會學(xué)習(xí)運載火箭的另一特征是終身學(xué)習(xí)。其控制系統(tǒng)能夠充分利用全生命周期中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)、智能分析技術(shù)等為基礎(chǔ)，實現(xiàn)模型智能修正、模型智能建立、方案與參數(shù)智能優(yōu)化等功能，持續(xù)進行自我學(xué)習(xí)和改進。

現(xiàn)役運載火箭中，絕大部分都是一次性使用，每一發(fā)火箭在飛行過程中，可以將自己的“學(xué)習(xí)內(nèi)容”傳回地面，供后來者借鑒，實現(xiàn)火箭之間的傳遞性學(xué)習(xí)，讓后續(xù)火箭越來越“聰明”，“經(jīng)驗”越來越豐富。

筆者了解到，上述兩大學(xué)習(xí)特征相輔相成、相互促進。邊飛邊學(xué)積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，支撐著終身學(xué)習(xí);終身學(xué)習(xí)的訓(xùn)練與優(yōu)化、算法自進化，又能促進邊飛邊學(xué)更智能。

2、火箭學(xué)習(xí)有門檻控制系統(tǒng)要一次設(shè)計，終身適用

會學(xué)習(xí)運載火箭的前景美好，但要實現(xiàn)會學(xué)習(xí)，火箭得先具備足夠的能力。

“首先是對控制系統(tǒng)算力提出更高要求，需要其具備分布式異構(gòu)跨核高速信息交換以及多元異構(gòu)內(nèi)存共享調(diào)度管理的能力?！庇泶好氛f。簡言之，就是火箭得擁有足夠聰明的大腦。

運載火箭結(jié)構(gòu)安裝難免存在誤差，彈性振動、液體晃動、未知環(huán)境擾動等因素都會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而要求火箭對自身健康狀況及飛行狀態(tài)具有實時感知能力。例如火箭動力系統(tǒng)典型非致命故障時有發(fā)生，需要針對上升段主發(fā)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(zhǔn)確辨識能力。

基于在線辨識、感知和自我評估結(jié)果，火箭要實現(xiàn)目標(biāo)在線變更、軌跡在線規(guī)劃，控制在線重構(gòu)等功能，就要具備對環(huán)境突變、箭體自身結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定、典型動力系統(tǒng)故障、任務(wù)變更等需求的強適應(yīng)能力，確保復(fù)雜飛行條件和故障情況下飛行穩(wěn)定，并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(wù)，歷次任務(wù)積累了大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)籌和規(guī)范管理后，就成為火箭的知識庫。會學(xué)習(xí)運載火箭從中提取信息、獲取經(jīng)驗知識，并與智能控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)能力，從而不斷“成長”。

此外，火箭要做到終身學(xué)習(xí)，對控制系統(tǒng)還提出了“一次設(shè)計，終身適用”要求，需要其具備一次設(shè)計便能覆蓋整個型號生命周期的能力。

對于會學(xué)習(xí)運載火箭而言，智能控制系統(tǒng)架構(gòu)是基礎(chǔ)，基于全生命周期數(shù)據(jù)的智能控制算法是核心，基于智能算法的強計算能力是載體。

3、我國已取得一定進展力爭2025年具備會學(xué)習(xí)能力

在會學(xué)習(xí)運載火箭相關(guān)技術(shù)探索和應(yīng)用方面，我國已取得一定進展。筆者了解到，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(xué)習(xí)能力。

2020年7月9日和10月12日，我國先后從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射長征三號乙運載火箭。這2次任務(wù)除了將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，北京航天自動控制研究所攻關(guān)團隊還在箭上搭載了典型動力故障辨識與制導(dǎo)控制重構(gòu)技術(shù)，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征。”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。今后如果要改進得更徹底，還需在箭上增加探測手段。

對于會學(xué)習(xí)運載火箭的發(fā)展，攻關(guān)團隊制定了“兩步走”計劃：在2020年具備強適應(yīng)能力，意思是讓火箭在一些故障情況下具有更強適應(yīng)能力，還可以繼續(xù)飛行;力爭到2025年具備會學(xué)習(xí)能力，即讓我國在役的主要運載火箭初步具備學(xué)習(xí)能力。此外，會學(xué)習(xí)的理念，也將融入到我國在研運載火箭的研制中。