張 霞焉 寧郝宇星王小錠徐振亮

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部,北京 100076)

1 引言

隨著智慧火箭[1-3]概念的提出,運載火箭智能感知能力面臨新挑戰(zhàn),數(shù)據(jù)獲取是智能感知的前提,準(zhǔn)確獲取火箭自身的狀態(tài)是智能感知、智能飛行和故障診斷的依據(jù)。目前,運載火箭數(shù)據(jù)獲取手段尚不具備運載火箭智能感知的要求,存在測不全、測不準(zhǔn)現(xiàn)象,亟需高效的先進數(shù)據(jù)獲取手段。

2 智能感知對數(shù)據(jù)獲取需求分析

2.1 數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)狀及問題

運載火箭測量參數(shù)分為電量參數(shù)和非電量參數(shù)[4]。電量參數(shù)包括電壓、電流、開關(guān)量、計算機字等,主要由敏感器或計算機單機完成采集,傳送給箭上計算機或綜合處理器完成數(shù)據(jù)綜合和處理;非電量參數(shù)主要包括運載火箭在試驗和飛行過程中的各種環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和高空物理參數(shù)等,要完成非電量參數(shù)的檢測,需多種傳感器安裝布置在相應(yīng)部位。非電量參數(shù)安裝物理性質(zhì)可分為熱工量和機械量等,熱工量包括溫度、壓力、熱流、流速等,機械量包括應(yīng)變、加速度、過載、噪聲等。運載火箭測量參數(shù)包括常規(guī)參數(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和動力系統(tǒng)監(jiān)測,如圖1 所示。常規(guī)參數(shù)（如溫度、振動、壓力等）大多采用點對點測量,電纜網(wǎng)眾多,可擴展性差;低溫推進劑溫度、羽流溫度、燃燒室溫度等極端溫度還需提升測量精度和測量效率,振動參數(shù)測量點少,精度和可靠性偏低且傳感器較大,需提升測量效率和可靠性。

圖1 運載火箭智能感知數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢Fig.1 Key issues and development trends in acquisition of intelligent sensing data for launch vehicles

目前,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和動力系統(tǒng)很多重要參數(shù)尚處于不可測狀態(tài),亟需提升結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和動力系統(tǒng)感知能力。火箭大型結(jié)構(gòu)如貯箱、蒙皮等健康監(jiān)測,主要包括金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)分層、基體開裂、纖維斷裂、復(fù)合材料整體化構(gòu)件的失效等主要損傷,以及引起這些損傷和失效的沖擊和載荷。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測非電量參數(shù)主要包括微裂紋、應(yīng)變／應(yīng)力等。目前,在微裂紋測量方面,火箭主要依據(jù)可靠性試驗,飛機通常在飛行結(jié)束后測量,微裂紋測量代價比較大,對微裂紋代價較小的測量也可以作為未來研究方向。而應(yīng)變參數(shù)還處于測不準(zhǔn)、測不全的狀態(tài),如何無損測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù),提升測量效率是重點研究的內(nèi)容。

火箭發(fā)動機工作過程包括渦輪泵系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)動、閥門等控制元件的機械運動、供應(yīng)管路中流體或氣體流動、各種換熱器中的熱交換、推力室／預(yù)燃室／燃?xì)獍l(fā)生器中的燃燒過程等。發(fā)動機在機械、流體及熱過程的作用下經(jīng)受著強烈的振動、沖擊和熱負(fù)荷。結(jié)構(gòu)、工作過程和載荷的復(fù)雜多樣導(dǎo)致了發(fā)動機失效模式的多樣性和健康監(jiān)控的復(fù)雜性。發(fā)動機的工作參數(shù)主要通過各種傳感器來監(jiān)測,除測量發(fā)動機各部段振動、沖擊、應(yīng)變、溫度熱流等參數(shù)作為發(fā)動機環(huán)境參數(shù)外,還需測量渦輪泵出入口、燃燒室、發(fā)生器噴前壓力和溫度、泵出口／噴嘴入口流量、渦輪泵轉(zhuǎn)速等作為動力系統(tǒng)故障檢測算法的數(shù)據(jù)。動力系統(tǒng)工作在高溫、高壓、強沖擊／振動的惡劣環(huán)境中,傳感器安裝部位特殊,如何在極端惡劣的情況下無接觸、高精度、高速率獲取動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)是動力系統(tǒng)實現(xiàn)智能故障診斷和重構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.2 智能數(shù)據(jù)獲取發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)火箭的數(shù)據(jù)獲取手段基本成熟,未來運載火箭則面臨智能感知需求,需解決以下幾個問題。

（1）測量領(lǐng)域受限問題,比如結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)目前還處于測不全的狀態(tài),如何無損、高效、高精度測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù),作為結(jié)構(gòu)健康感知的可靠信息來源是亟需解決的問題。

（2）測量精度不高與可靠性不高的問題,如常規(guī)的振動、極限溫度等,目前不能滿足總體改進設(shè)計或故障定位需求。

（3）可擴展性差和可裁剪性不高的問題,一旦改動工作量較大,且電纜網(wǎng)重量重,可探索采用無線通信、無線傳感等無纜化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)加以改進。

針對目前運載火箭存在的問題,可以預(yù)見智能化、網(wǎng)絡(luò)／無纜化和輕質(zhì)高效化是今后發(fā)展的方向。

2.3 智能化需求

為提升運載火箭智能感知能力,可從測量手段、采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理和分析等四個方面提升數(shù)據(jù)獲取的智能化程度:探索采用超聲、紅外、射頻、光學(xué)等測量手段,解決結(jié)構(gòu)／動力健康檢測參數(shù)不可測、效率不高等問題;利用智能傳感器將信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能集成,提高數(shù)據(jù)獲取集成度從而提升測量效率和精度;采用更高測量頻率獲取更精準(zhǔn)的狀態(tài)數(shù)據(jù),并采用更高傳輸碼速率傳輸數(shù)據(jù)信息;采用基于人工智能的數(shù)據(jù)處理分析算法提升系統(tǒng)故障檢測和重構(gòu)的能力。

2.4 網(wǎng)絡(luò)/無纜化需求

目前,在運載火箭艙段內(nèi),大多采用獨立的傳感器配備單獨的電纜連接至信息綜合采編設(shè)備上,如圖2 所示,再通過遙測系統(tǒng)下傳至地面,由于航天器參數(shù)采集數(shù)量眾多,導(dǎo)致電纜網(wǎng)復(fù)雜、重量重,在設(shè)備安裝布局過程中需要進行多輪的耦合迭代設(shè)計,過程復(fù)雜,布線、維修和維護都面臨著較大困難,降低了系統(tǒng)的可靠性。同樣,運載火箭艙間均通過各類電纜進行信息交互,通過分插來實現(xiàn)級間分離,這樣就不可避免地帶來電纜質(zhì)量及使用分插所引入的不可靠因素,且不便于測試維護。

圖2 運載火箭數(shù)據(jù)獲取示意圖Fig.2 Schematic diagram of a launch vehicle data acquisition

在研制過程中,如設(shè)計發(fā)生更改,就要對已配套應(yīng)用的電纜進行更改或重新生產(chǎn)電纜,還需完成電纜分支的調(diào)整以及新增電纜敷設(shè)等工作。為提高測量系統(tǒng)的可拓展性,減小系統(tǒng)復(fù)雜度,減輕電纜網(wǎng)重量,數(shù)據(jù)獲取手段需具備無纜化、網(wǎng)絡(luò)化、自組網(wǎng)等特點,自組網(wǎng)無線通信技術(shù)、無線傳能等技術(shù)是目前研究熱點。

2.5 輕質(zhì)高效需求

我國現(xiàn)役運載火箭電氣系統(tǒng)存在規(guī)模大、集成化程度低、電纜網(wǎng)超重等現(xiàn)象,系統(tǒng)效率低、操作復(fù)雜、排故時間長等問題,嚴(yán)重影響運載能力,有必要開展運載火箭電氣系統(tǒng)高效輕質(zhì)化技術(shù)研究。數(shù)據(jù)獲取作為布局在整個火箭全身的毛細(xì)血管,設(shè)備數(shù)量眾多,線路交錯復(fù)雜,測量效率不高,一個傳感器表征的范圍有限,想獲得整體狀態(tài)分布,就得增加測量布點,但測量點數(shù)量的增加帶來重量的增加,代價較大。提高系統(tǒng)測量效率,實現(xiàn)輕質(zhì)高效化是運載火箭數(shù)據(jù)獲取的一個重要研究課題,可采用小型化、集成化、智能化等技術(shù)。

3 智慧火箭數(shù)據(jù)獲取方案及關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合需求分析和發(fā)展趨勢分析,突出數(shù)據(jù)獲取智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無纜化、輕質(zhì)高效化等特點,各子級綜合控制單元集成了采編／變化器、網(wǎng)絡(luò)交換、數(shù)據(jù)綜合與處理等功能,子級間指令數(shù)據(jù)傳輸仍采用有線高速數(shù)據(jù)總線。采用高集成度先進高性能微處理器的具有信息處理能力的智能傳感器,提升測量精度;采用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性傳感等技術(shù)實現(xiàn)輕質(zhì)高效化;采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)測量溫度、壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等環(huán)境量,減少電纜網(wǎng)復(fù)雜度、傳感器設(shè)備數(shù)量;采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集距離采編器遠(yuǎn)的溫度、振動、沖擊等零散參數(shù),減少電纜網(wǎng)重量,使之便于布局,無線通信匯聚總節(jié)點可布置在各級綜合控制器內(nèi),也可作為獨立通信設(shè)備與綜合控制器進行數(shù)據(jù)交互;無線傳感器能源傳輸可采用基于磁諧振的無線傳能充電方式從箭上充電設(shè)備處獲得電能,因無線傳能技術(shù)受傳輸距離、功耗、火焰及子級分離等因素限制,各子級均設(shè)立充電樁。某火箭數(shù)據(jù)獲取總體框架如圖3 所示。

圖3 某火箭數(shù)據(jù)獲取總體框架示意圖Fig.3 Overall scheme of data acquisition for a launch vehicle

圖4 光纖測量設(shè)備連接示意圖Fig.4 Optical fiber measurement equipment connection diagram

圖5 基于磁耦合諧振的無線攜能系統(tǒng)方案Fig.5 SWIPT scheme based on magnetic coupling resonance

3.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)指利用傳感網(wǎng)絡(luò)探測結(jié)構(gòu)主體在有負(fù)載和無負(fù)載的狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的變化,或者通過對結(jié)構(gòu)主體長期的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號監(jiān)測來實現(xiàn)對被監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)健康狀況信息的讀取,再進行計算、分析和對比判斷主體結(jié)構(gòu)性能的變化狀況,為智能系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)健康的評判依據(jù)[5-7]。運載火箭上貯箱、發(fā)動機、蒙皮等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是實現(xiàn)運載火箭智能感知的關(guān)鍵,主要進行應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)測量。表1 為多種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景,不同的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)所適合的監(jiān)測量不一樣,需根據(jù)監(jiān)測點選擇適用的監(jiān)測方法。

表1 多種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)綜合特性對比Tab.1 Comparision of various structural health monitoring technologies

運載火箭大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可選用基于光纖光柵的健康監(jiān)測技術(shù);大面積重點金屬區(qū)域可選用基于超聲導(dǎo)波的健康監(jiān)測技術(shù);固體推進劑藥柱結(jié)構(gòu)可采用基于阻抗法的健康監(jiān)測技術(shù);對于某些特定單點結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集可采用無線應(yīng)變傳感器進行組網(wǎng)采集。

3.2 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)

光纖傳感器主要有以下幾種類型:（1）強度型光纖傳感器,檢測輸入、輸出光強的變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易于解調(diào)實現(xiàn),但靈敏度較低,難以實現(xiàn)微弱信號的探測。（2）干涉型光纖傳感器,檢測光的相位信息變化。對環(huán)境溫度、應(yīng)變及振動極為敏感,可實現(xiàn)高靈敏度感測,但干涉結(jié)構(gòu)復(fù)用性差,僅適合單點測量。（3）分布式光纖傳感器,可實現(xiàn)連續(xù)性的分布式傳感,充分發(fā)揮“傳感合一”的優(yōu)點,但通常需要高速調(diào)制解調(diào)設(shè)備進行大量的后期數(shù)據(jù)處理,延時較長,適合于非實時性測量。（4）光纖光柵傳感器[7],感測光纖光柵的波長變化或偏振態(tài)信息,測量結(jié)果不受光源功率波動、傳輸鏈路損耗起伏等因素影響,抗干擾能力強,可以在一根光纖上串聯(lián)多個光纖光柵構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多點準(zhǔn)分布式測量。如前文所述,運載火箭較適合采用基于光纖光柵的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)多點準(zhǔn)分布式溫度、應(yīng)變測量,利用多通道光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀可以實時監(jiān)測成百上千點的溫度和應(yīng)變;而多臺光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀組網(wǎng)可以實現(xiàn)超過一萬個點的溫度和應(yīng)變的實時監(jiān)測,從而及時發(fā)現(xiàn)和確定結(jié)構(gòu)內(nèi)的損傷位置及程度,并監(jiān)視損傷區(qū)域的擴展。

3.3 無纜化

目前,運載火箭數(shù)據(jù)獲取所需的信息通路和供電通路大多是有線連接方式,要實現(xiàn)運載火箭無纜化連接,不僅需要實現(xiàn)通信無纜化,也要實現(xiàn)供電無纜化。通信無纜化指利用無線通信替代有線通信,供電無纜化指采用自備能源或無線傳能技術(shù)替代有線供電,自備能源一般指紐扣電池,但紐扣電池容量有限且裝配后不利于再次更換或能量補充,目前正探索可采用無線傳能的方式實現(xiàn)供電無纜化。只有通信和供電都實現(xiàn)無纜化連接才能真正實現(xiàn)運載火箭無纜化,不僅減輕線纜網(wǎng)重量,而且便于設(shè)備布局,提升系統(tǒng)可擴展性。

3.3.1 通信無纜化-無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

運載火箭內(nèi)通信可劃分高實時信令傳輸、高吞吐圖像／視頻傳輸和傳感器網(wǎng)三種不同應(yīng)用場景,控制系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)速率可達Gbps 量級,屬于高實時信令傳輸,對可靠性、時延性等要求很高,因此不考慮無纜化;相機作為圖像／視頻采集設(shè)備,可作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點,可考慮采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)通信無纜化。無線傳感網(wǎng)絡(luò)[8-10]一般由無線傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點（集成在采編器中）等組成,網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點與無線傳感器節(jié)點進行雙向通信。無線傳感器節(jié)點布置在飛行器需要測量的各個位置,實時采集飛行器測量參數(shù),如振動、沖擊、壓力、溫度等,每個無線傳感器節(jié)點都具備傳送和接收的能力。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點發(fā)送傳感器工作模式指令至傳感器節(jié)點,同時收集所有無線傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù),實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信系統(tǒng)發(fā)送至地面。

在通信體制選擇上,目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的無線通信方式有Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee 等[11,12],這幾種通信方式均較成熟。西安電子科技大學(xué)采用了超寬帶（UWB）技術(shù)實現(xiàn)艙內(nèi)通信無纜化,在數(shù)據(jù)率、時延性能等方面較其他通信體制有優(yōu)勢,但占用頻帶較寬且較其他方式耗電,適合艙內(nèi)通信無纜化。不同通信方式無線傳感網(wǎng)絡(luò)比較如表2 所示。

表2 不同通信體制無線傳感網(wǎng)絡(luò)比較Tab.2 Comparision of different WSN communication protocols

3.3.2 供電無纜化-無線傳能技術(shù)

無線傳能技術(shù)（WPT）包括電磁感應(yīng)、磁諧振、微波、激光等方式[13-16]。電磁感應(yīng)式主要應(yīng)用于對功率需求大、位置相對固定、傳輸距離很短的使用場景;磁諧振式是一種非輻射性的強磁場耦合,在以線圈為中心的一定空間范圍內(nèi),磁場能量以一定的頻率進行不向外輻射的反復(fù)移動,且不受中間障礙物的影響,是一種距離和功率均比較理想的無線電能傳輸方式,主要應(yīng)用于存在遮擋物、傳輸距離為米級、對傳能效率要求高的使用場景;微波無線傳能方式主要應(yīng)用于傳輸距離遠(yuǎn)、對效率要求不高的自由空間環(huán)境;激光無線傳能易受到空氣和塵埃的散射,非線性效應(yīng)明顯,對方向性要求高,并且不能穿過或繞過障礙物傳輸,可應(yīng)用于太空無線傳能。

運載火箭無線傳能具有特殊性,無線傳能可分為箭內(nèi)無線傳能及射前箭地?zé)o線傳能兩種方式。箭內(nèi)無線傳能要求不受障礙物影響,傳輸距離達米級,傳輸效率盡量高,滿足電磁兼容要求,且要求一個發(fā)射源由多個傳感器接收,無指向性要求。綜合分析,基于磁諧振的WPT 是實現(xiàn)運載火箭箭內(nèi)供電無纜化的關(guān)鍵技術(shù)。箭地供電無纜化主要用于射前給箭上蓄電池?zé)o線充電,從而減少射前轉(zhuǎn)電等操作,充電功率達千瓦級,可以通過擺桿等實現(xiàn)接觸式傳能,可選用電磁感應(yīng)式無線傳能方式。

3.3.3 無線攜能通信

無線攜能通信（SWIPT）實現(xiàn)能量和通信并行傳輸,能量傳輸和信息傳輸采用不同頻段,各自工作互不干擾,具有較強的獨立性,能量和信息的傳輸效率也會大大提高。SWIPT 是將無線傳能與無線信息傳輸相結(jié)合的產(chǎn)物。高效的WPT 和可靠的SWIPT 接收機算法是SWIPT 的研究重點與難點。在SWIPT 系統(tǒng)中,接收天線接收電磁波信號,在進行信息解碼的同時,完成能量的采集,將電磁波中的部分能量轉(zhuǎn)化為直流電進行使用或存儲?；诖篷詈现C振的SWIPT 系統(tǒng)[17]可作為一種無纜化途徑。

基于磁耦合諧振的SWIPT 系統(tǒng)主要包括無線攜能發(fā)射單元和無線攜能接收與恢復(fù)單元兩個部分。前者用于產(chǎn)生振蕩信號,將無線信號FM 調(diào)制后傳輸,并隨著系統(tǒng)諧振頻率的變化實時調(diào)諧;后者負(fù)責(zé)接收、解調(diào)出通信信息,通過整流穩(wěn)壓電路為負(fù)載供電與控制,同時實時監(jiān)測以調(diào)整系統(tǒng)處于最佳傳輸狀態(tài);二者之間通過雙線圈磁諧振耦合方式同步傳輸無線能量與信息,從而實現(xiàn)無線能量與信息的高效傳輸。

4 結(jié)束語

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,智能導(dǎo)彈武器系統(tǒng)[18]、智慧火箭概念也隨之涌現(xiàn),智能感知、智能控制、自主規(guī)劃等是這類智能復(fù)雜系統(tǒng)的重要特征,而智能數(shù)據(jù)獲取作為共性技術(shù)是實現(xiàn)智能感知和控制規(guī)劃的前提,未來智能數(shù)據(jù)獲取技術(shù)朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和輕質(zhì)高效化方向發(fā)展。其中,基于光纖光柵的傳感網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳能技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)等是數(shù)據(jù)獲取的共性關(guān)鍵技術(shù),正逐步應(yīng)用于智能復(fù)雜系統(tǒng)。