包為民,祁振強(qiáng)
(1. 中國航天科技集團(tuán)有限公司,北京 100048;2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)
太空領(lǐng)域是21世紀(jì)世界大國競爭的重要疆域,世界航天已進(jìn)入以大規(guī)?;ヂ?lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開發(fā)、載人月球探測、大規(guī)模深空探測為代表的新階段,全球航天發(fā)展的新浪潮澎湃而至。美國太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)為重返月球已完成首次飛行,維珍銀河、藍(lán)色起源、SpaceX等公司開啟了人類太空旅游的先河。人類對(duì)太空的依賴與日俱增,進(jìn)入空間的需求正在快速增長,高效率、高可靠、高安全成為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要標(biāo)志,發(fā)展航班化的航天運(yùn)輸系統(tǒng)也成為進(jìn)出空間的重要途徑和主要方向[1]。
航天運(yùn)輸系統(tǒng)作為一個(gè)國家開展航天活動(dòng)的支撐和基礎(chǔ),是其綜合國力的重要標(biāo)志[2]。經(jīng)過60余年的不懈努力,中國運(yùn)載火箭走過了從無到有、從有到全的發(fā)展歷程,形成了較為完備的產(chǎn)品系列,為中國載人航天、月球探測、火星探測等重大工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近年來,以CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-8等為代表的第三代運(yùn)載火箭成為航天任務(wù)主力擔(dān)當(dāng),以新一代載人火箭、重型運(yùn)載火箭為代表的第四代運(yùn)載火箭正在研制當(dāng)中,實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用將進(jìn)一步提高中國進(jìn)入空間的能力。
瞄準(zhǔn)全面建成航天強(qiáng)國,中國將進(jìn)行載人月球探測、月球科考基地建設(shè)、火星采樣返回等重大工程,讓中國人探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠(yuǎn)。這對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的品質(zhì)屬性和載荷能力提出了更高要求,像飛機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)航班化運(yùn)營,是革命性提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)能力的重要途徑[1,2]。站在新的歷史節(jié)點(diǎn)上,面向多樣化發(fā)展需求,中國應(yīng)拓展發(fā)展理念,大力研發(fā)航班化的航天運(yùn)輸系統(tǒng),迎接航天運(yùn)輸新時(shí)代。
本文將從航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)、所需的智能及信息技術(shù)支撐等方面展開探討,提出當(dāng)前面臨、亟需解決的問題,為廣大科技工作者提供研究參考,助力實(shí)現(xiàn)中國航天運(yùn)輸系統(tǒng)“從全到強(qiáng)”的歷史跨越,為滿足未來大規(guī)模探索與開發(fā)太空、人民對(duì)未來美好生活向往以及延拓人類生存與發(fā)展等的需求,貢獻(xiàn)中國航天智慧。
航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)主要由1小時(shí)全球抵達(dá)運(yùn)輸、天地往返運(yùn)輸、空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)?類系統(tǒng)組成,具有重復(fù)使用、智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?;燃夹g(shù)特征[1],如表1。
表1 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)組成Table 1 Components of the airline-flight-mode aerospace transportation system
發(fā)展路線可劃分為3個(gè)階段:1)近期目標(biāo)(起步建設(shè)),包括完成關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破、基礎(chǔ)研究獲得進(jìn)展、開展技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)等;2)中期目標(biāo)(初步建成),包括重復(fù)使用次數(shù)達(dá)到50~100次、單位載荷發(fā)射成本降低50%以上、周轉(zhuǎn)時(shí)間不大于1周、實(shí)現(xiàn)初步航班化運(yùn)營等;3)遠(yuǎn)期目標(biāo)(全面建成),包括重復(fù)使用次數(shù)100次以上、單位載荷發(fā)射成本降低1到2個(gè)量級(jí)、周轉(zhuǎn)時(shí)間12 h、實(shí)現(xiàn)全面航班化運(yùn)營等。
隨著未來航天任務(wù)的任務(wù)高密集,使得航班化航天運(yùn)輸飛行面臨新挑戰(zhàn)。異構(gòu)多型的在軌飛行器、在軌巨型星座等形成的密布動(dòng)態(tài)空間運(yùn)營環(huán)境,空間碎片、殘骸等形成的不確定性環(huán)境,頻繁高速跨域飛行中嚴(yán)苛的力、熱環(huán)境,全球抵達(dá)運(yùn)輸?shù)拇髿猸h(huán)境與全球發(fā)射場/著陸場環(huán)境,以及深空探測中的極端飛行環(huán)境等都將成為航班化航天運(yùn)輸面臨的新環(huán)境。與之對(duì)應(yīng)的任務(wù)特點(diǎn)也將新質(zhì)呈現(xiàn)為,不同起降的飛行方式(垂直起降、垂直起飛水平降落、水平起降等),在軌巨型星座、空間碎片等動(dòng)態(tài)環(huán)境約束的飛行管道設(shè)計(jì),多飛行器間的太空軌道交通管理,滿足空間組裝、加油、中轉(zhuǎn)任務(wù)的航天器互相協(xié)作等。
上述環(huán)境變化與任務(wù)特點(diǎn)對(duì)航班化航天運(yùn)輸,尤其是飛行器控制系統(tǒng)提出了新的考驗(yàn),主要體現(xiàn)在:
1)在軌巨型星座、空間碎片等共存形成的密布動(dòng)態(tài)空間導(dǎo)致飛行管道越來越窄。以500 km軌道高度為例,在未來分布10萬個(gè)巨型星座衛(wèi)星、2萬個(gè)空間碎片和航天器殘骸的情況下,航班化航天運(yùn)輸飛行器的飛行管道僅約80 km左右;
2)許用運(yùn)行管道呈現(xiàn)為動(dòng)態(tài)變化??臻g飛行器、空間碎片的飛行馬赫數(shù)均在25以上,運(yùn)行軌道呈立體分布,軌道面多樣、飛行方向多樣,全球可能還有成百上千的航班化飛行器在空天域同時(shí)飛行;
3)飛行環(huán)境是強(qiáng)不確定的。航班化航天運(yùn)輸除了上升段外,還涉及再入返回、著陸、再次發(fā)射等過程,飛行剖面既有程序指令單安排的運(yùn)輸任務(wù),還有應(yīng)急調(diào)度安排的重規(guī)劃飛行以及適應(yīng)任務(wù)降級(jí)的備降/迫降任務(wù)等,頻繁跨域飛行中的環(huán)境不確定性強(qiáng)。
這些考驗(yàn)使得航班化航天運(yùn)輸?shù)娘w行控制單靠人來管理已不現(xiàn)實(shí),已成為典型的無人自主控制系統(tǒng),對(duì)航天控制提出了新的挑戰(zhàn):
1)如何在狹窄、動(dòng)態(tài)的飛行管道下精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)航班化航天運(yùn)輸?shù)陌踩w行?
2)如何快速規(guī)劃飛行任務(wù)走廊,實(shí)現(xiàn)航班化航天運(yùn)輸飛行器的跨域、靈活天地穿梭?
3)如何構(gòu)建航班化空間運(yùn)營體系,實(shí)現(xiàn)航班化航天運(yùn)輸飛行器的協(xié)同與控制?
從航班化航天運(yùn)輸飛行的角度來看,存在飛行管道更狹窄、全球覆蓋飛行下環(huán)境不確定性更強(qiáng)、航班化運(yùn)輸飛行器、空間碎片及殘骸等數(shù)量構(gòu)型眾多、空天域信息種類和數(shù)量更多、信息異構(gòu)更復(fù)雜、信息動(dòng)態(tài)變化更快(易缺失信息)、信息跨域傳輸更遠(yuǎn)等問題[3-4]。應(yīng)對(duì)這些,在不確定環(huán)境與異常情況的感知與認(rèn)知、飛行器的自主決策與精準(zhǔn)控制、多飛行器的協(xié)同合作等方面需要發(fā)展智能技術(shù)以融合支撐[5~7];在海量異構(gòu)信息的產(chǎn)生/傳輸/處理、準(zhǔn)確高效利用信息以及實(shí)現(xiàn)航班化運(yùn)輸體系運(yùn)營管理等需要發(fā)展信息技術(shù)以有效應(yīng)對(duì)。
航班化航天運(yùn)輸?shù)闹悄苜x能將依托智能算法、算力、數(shù)據(jù)、知識(shí),實(shí)現(xiàn)環(huán)境與本體的有效感知與準(zhǔn)確認(rèn)知、管道與軌跡的規(guī)劃決策與精準(zhǔn)控制、多飛行器間的協(xié)同合作與沖突消解,實(shí)現(xiàn)航班化航天運(yùn)輸飛行器狹窄管道內(nèi)的安全飛行與靈活穿梭。具體表現(xiàn)為:
1)有效感知、準(zhǔn)確認(rèn)知:包括智能感知飛行環(huán)境,智能預(yù)測空間碎片、殘骸等的運(yùn)行軌跡,智能監(jiān)測自身狀態(tài)、診斷異常故障等;
2)規(guī)劃決策、精準(zhǔn)控制:包括自主決策飛行管道、規(guī)劃飛行軌跡,自主重構(gòu)故障,自主應(yīng)對(duì)不確定突發(fā)狀況等;
3)協(xié)同合作、沖突消解:包括太空擺渡、自主加注、中轉(zhuǎn)與組裝,多飛行器間協(xié)同飛行,動(dòng)態(tài)障礙的自主規(guī)避等。
航班化航天運(yùn)輸重復(fù)使用次數(shù)多、周轉(zhuǎn)周期短、飛行距離遠(yuǎn)(部分飛行器長期在軌),還需通過訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、演進(jìn),使飛行器具備邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)能力,實(shí)現(xiàn)個(gè)體強(qiáng)適應(yīng)、任務(wù)快響應(yīng)、飛行自學(xué)習(xí)、一次設(shè)計(jì)延伸全生命周期、可重復(fù)使用以及控制系統(tǒng)能力的迭代優(yōu)化等,彌補(bǔ)程序化控制帶來的局限性,持續(xù)提升航班化航天運(yùn)輸?shù)目煽啃耘c自主性。
控制始于對(duì)控制目標(biāo)和環(huán)境態(tài)勢的信息反饋,信息的傳遞是為了更好地實(shí)現(xiàn)控制意圖[8]。航班化航天運(yùn)輸中的信息主要包括:確定性信息(包括空管運(yùn)營信息、在軌巨型星座信息、協(xié)作飛行器信息等)和不確定性信息(包括跨域復(fù)雜力熱環(huán)境信息、空間碎片信息、本體診斷信息、突發(fā)事件信息等)。綜合信息高效應(yīng)用,是支撐飛行器應(yīng)對(duì)航班化航天運(yùn)輸中復(fù)雜環(huán)境、任務(wù)、突發(fā)狀況,實(shí)現(xiàn)控制意圖的基礎(chǔ)。
適應(yīng)航班化航天運(yùn)輸控制,主要通過拓寬獲取的維度與來源,依賴太空軌道管理信息、航班化運(yùn)營管理信息等實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的可靠獲取;通過信息的壓縮與解密,信息的低延時(shí)、強(qiáng)抗擾,以及信息的傳輸協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)體系等實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的可信傳輸;通過本體、環(huán)境、任務(wù)、運(yùn)營管理等的多源信息處理能力,信息與資源統(tǒng)一調(diào)度管理等實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的敏捷處理。
在以上信息處理的基礎(chǔ)上,將智能賦能下的航天控制與信息更深度的融合,實(shí)現(xiàn)信息驅(qū)動(dòng)下的航班化航天運(yùn)輸控制,主要體現(xiàn)在:
1)第一層次:制導(dǎo)與姿控環(huán)——利用自身的控制信息,實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)、狹窄管道中的精準(zhǔn)控制;
2)第二層次:指揮管理環(huán)——利用感知的環(huán)境態(tài)勢信息與飛行器本體信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)航班化運(yùn)輸飛行器的飛行狀態(tài)管理;
3)第三層次:空間體系運(yùn)營環(huán)——利用空間飛行器、碎片等的監(jiān)控信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)空間的體系化管理。
最終形成航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的信息綜合與控制系統(tǒng)。
航班化航天運(yùn)輸控制的內(nèi)涵由傳統(tǒng)面向飛行器的“姿控-制導(dǎo)”的兩重回路,延展為適應(yīng)復(fù)雜異構(gòu)多體協(xié)同的“姿控-制導(dǎo)-指揮管理-空間體系運(yùn)營”四重回路。如圖1所示。
由圖1可以看出,各回路是逐重包含的;信息流在各回路中、回路間高效傳動(dòng);內(nèi)重回路是外重回路實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。
圖1 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的信息綜合與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Information synthesis and control system structure of the airline-flight-mode aerospace transportation system
1)第一層次:姿控回路+制導(dǎo)回路。①通過跨域高動(dòng)態(tài)智能制導(dǎo)與制導(dǎo)、復(fù)合控制策略和再入控制、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高精度導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)強(qiáng)適應(yīng)制導(dǎo)與控制;②通過制導(dǎo)控制參數(shù)自優(yōu)化、策略自學(xué)習(xí)等,持續(xù)改善飛行品質(zhì),實(shí)現(xiàn)飛行中的自學(xué)習(xí);③基于對(duì)歷史信息和知識(shí)的學(xué)習(xí),飛行器模型(包括動(dòng)力、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等)認(rèn)識(shí)越來越準(zhǔn),飛行性能越來越好,支持長期運(yùn)營服務(wù),更加可靠、舒適、經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)全生命周期終身學(xué)習(xí)。
2)第二層次:指揮管理回路。①通過對(duì)空間碎片、殘骸的在線感知與威脅評(píng)估,環(huán)境與本體參數(shù)的在線辨識(shí)、自身故障的自檢測等實(shí)現(xiàn)自感知、自診斷;②基于密布動(dòng)態(tài)空間信息,實(shí)現(xiàn)上升段、再入段的狹窄管道規(guī)劃與設(shè)計(jì);③通過飛行能力在線評(píng)估,飛行任務(wù)、飛行管道在線決策,在天-地聯(lián)動(dòng)下完成應(yīng)急故障的指揮與控制。
3)第三層次:空間體系運(yùn)營回路。①通過星箭組網(wǎng)、互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)對(duì)航班化運(yùn)輸飛行器、在軌航天器、空間碎片的動(dòng)態(tài)監(jiān)視;②通過信息互享、太空多飛行器軌道管理,智慧地表/太空聯(lián)合管理等,實(shí)現(xiàn)國際太空合作與運(yùn)營管理;③構(gòu)建太空云港,箭群/星群共享停、修、補(bǔ)、傳服務(wù),形成航班化運(yùn)輸新生態(tài)。
目前,第一層次已閉合。計(jì)劃在“十四五”期間,閉合指揮控制回路(第二層次),并探索空間體系運(yùn)營回路(第三層次)的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品。在本世紀(jì)中葉,完成空間體系運(yùn)營回路的閉合,輔以智能賦能,實(shí)現(xiàn)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)營。
發(fā)展智能賦能和信息融合的航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng),布局開展研制攻關(guān)和技術(shù)突破,需要解決若干問題。
1)構(gòu)建航班化航天運(yùn)輸運(yùn)營管理體系
基于制導(dǎo)與控制、指揮管理、空間體系運(yùn)營3個(gè)層次,構(gòu)建運(yùn)營管理體系,對(duì)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行“頂層”管理,為航班化航天運(yùn)輸提供體系化保證,使航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)具備典型能力要素:
a.融合性:運(yùn)用異構(gòu)信息、聯(lián)合異構(gòu)對(duì)象,實(shí)現(xiàn)跨域協(xié)作與智能決策;
b.協(xié)調(diào)性:多飛行器動(dòng)態(tài)指揮與控制;
c.靈活性:動(dòng)態(tài)、狹窄空間內(nèi)靈活穿梭;
d.安全性:故障即時(shí)處理、應(yīng)急避障與智能重構(gòu)。
2)研發(fā)適應(yīng)航班化航天運(yùn)輸運(yùn)營管理體系的控制系統(tǒng)架構(gòu)
在航班化航天運(yùn)輸運(yùn)營管理體系下,建立包含多層級(jí)信息快速獲取與處理、計(jì)算資源調(diào)配與軟件定義的控制系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的隨取隨用、對(duì)資源的靈活遷移、對(duì)功能的自由組合,滿足航班化航天運(yùn)輸飛行運(yùn)營管理與自主控制的需求;實(shí)現(xiàn)天地信息一體化設(shè)計(jì),構(gòu)建太空信息、星/箭信息、地面信息的全信息處理體制等。
3)夯實(shí)智能賦能、信息驅(qū)動(dòng)下的航班化航天運(yùn)輸控制理論研究
包括密布動(dòng)態(tài)空間下安全運(yùn)籌規(guī)劃機(jī)理(信息空間描述、博弈與運(yùn)籌規(guī)劃)、多源異構(gòu)空間信息智能感知與融合理論(本體狀態(tài)與故障感知、在線決策與重構(gòu))、面向重復(fù)使用的智能控制理論(高精度著陸控制、健康評(píng)估理論)、面向故障的航天控制設(shè)計(jì)理論(行為和結(jié)果的支撐論據(jù)、冗余與可靠)、邊飛邊學(xué)與終身學(xué)習(xí)的智能控制理論(高效表達(dá)、增量學(xué)習(xí))等。
4)探索深化航天信息與控制技術(shù)融合發(fā)展
一是以信息技術(shù)促進(jìn)航天控制系統(tǒng)的體系化與智能化,保證體系中各平臺(tái)、載荷、鏈路等要素之間互相配合與協(xié)調(diào),并將全域信息系統(tǒng)時(shí)刻與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換,保障控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效運(yùn)行;二是通過航天控制為信息技術(shù)提供應(yīng)用平臺(tái)(包括航班化運(yùn)輸、地月經(jīng)濟(jì)區(qū)等各類復(fù)雜航天任務(wù)),并以重大科技工程為需求牽引信息技術(shù)發(fā)展。
世界航天即將迎來大規(guī)模進(jìn)出空間的“航班化航天運(yùn)輸時(shí)代”,站在新的歷史節(jié)點(diǎn)上,面對(duì)新的需求、機(jī)遇和挑戰(zhàn),我們要把握機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn),立足中國戰(zhàn)略發(fā)展需求,發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng),夯實(shí)基礎(chǔ)、堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展,探索新技術(shù)新方法,科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品體系,“智能賦能、信息驅(qū)動(dòng)”,謀篇長遠(yuǎn),構(gòu)建體系;實(shí)現(xiàn)中國航天運(yùn)輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展,走出中國特色的航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線,建成世界一流水平的航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)!