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  边飞边学习 我国智能化运载火箭在路上

  本报记者 付毅飞

  对于会学习运载火箭的发展,攻关团队制定了“两步走”计划:在2020年具备强适应能力,意思是让火箭在一些故障情况下具有更强适应能力,还可以继续飞行;力争到2025年具备会学习能力,即让我国在役的主要运载火箭初步具备学习能力。

  在人类航天史上,航天发射任务具有高风险性。提高运载火箭的安全性和可靠性,一直是航天科技工作者不断追求的目标。对此,火箭飞行控制系统起到至关重要作用。

  据统计,在1990年至2000年间,欧、美、日、俄运载火箭发射失败案例中,约有40%的失利有可能利用先进导航制导与控制技术补救挽回,从而继续完成任务或者降级完成任务。近几年,猎鹰9号、德尔塔4运载火箭均出现过飞行中发动机推力下降的故障,但通过实施不同程度的补救措施,最终没有影响主要任务。

  科技日报记者从北京航天自动控制研究所了解到,我国正在研制会学习的运载火箭。该所副所长禹春梅介绍,该技术是将智能技术引入导航、制导及控制等各个任务环节,使运载火箭变得更加聪明、自主,对复杂环境和突发状况具备更强的主动适应能力,从而能在更大程度上确保完成任务。

  边飞边学与终身学习 感知周边的环境,积累数据自我改进

  对于火箭而言,飞行控制系统相当于它的大脑。按照北京航天自动控制研究所科研团队的研究成果,这部“大脑”学习起来具备两大特征。

  禹春梅介绍,传统火箭的飞行策略及轨道是提前设计好的,如果在飞行过程中遭遇事先没有预料到的复杂空间环境,火箭飞行轨迹无法在线调整。另外,如果火箭上出现如动力系统故障等突发情况,又不能及时采取措施,很可能会导致任务失败。

  但会学习运载火箭则具有边飞边学特征。其控制系统能充分利用箭载多源信息,使火箭实现飞行状态与环境在线辨识、运载及控制能力在线评估、轨迹在线规划、控制在线重构、目标在线变更等功能。简单来说,它可以实时感知自己周边的环境,如果有威胁就自主改变轨迹。同时,火箭会边飞边开展自我健康诊断,如果发现问题,它会评估自己的能力,根据实际情况采取相应措施,或是对任务计划进行调整。“例如火箭检测到二级发动机出现故障了,它可以提前实施二三级分离,启动三级发动机继续飞行。即使无法按预定计划完成任务,也可以在重新构建控制系统的基础上规划新的轨迹,飞向安全轨道或降级轨道,尽可能减少损失。”禹春梅说。

  会学习运载火箭的另一特征是终身学习。其控制系统能够充分利用全生命周期中所产生的数据,以大数据、智能分析技术等为基础,实现模型智能修正、模型智能建立、方案与参数智能优化等功能,持续进行自我学习和改进。

  现役运载火箭中,绝大部分都是一次性使用,每一发火箭在飞行过程中,可以将自己的“学习内容”传回地面,供后来者借鉴,实现火箭之间的传递性学习,让后续火箭越来越“聪明”,“经验”越来越丰富。

  记者了解到,上述两大学习特征相辅相成、相互促进。边飞边学积累的经验和数据,支撑着终身学习;终身学习的训练与优化、算法自进化,又能促进边飞边学更智能。

  火箭学习有门槛 控制系统要一次设计,终身适用

  会学习运载火箭的前景美好,但要实现会学习,火箭得先具备足够的能力。

  “首先是对控制系统算力提出更高要求,需要其具备分布式异构跨核高速信息交换以及多元异构内存共享调度管理的能力。”禹春梅说。简言之,就是火箭得拥有足够聪明的大脑。

  运载火箭结构安装难免存在误差,弹性振动、液体晃动、未知环境扰动等因素都会对控制系统产生影响,因而要求火箭对自身健康状况及飞行状态具有实时感知能力。例如火箭动力系统典型非致命故障时有发生,需要针对上升段主发动机推力下降,高空飞行段姿控喷管常开、常闭、极性等问题,具备快速准确辨识能力。

  基于在线辨识、感知和自我评估结果,火箭要实现目标在线变更、轨迹在线规划,控制在线重构等功能,就要具备对环境突变、箭体自身结构参数不确定、典型动力系统故障、任务变更等需求的强适应能力,确保复杂飞行条件和故障情况下飞行稳定,并能够进入半长轴最大椭圆轨道或者安全停泊轨道。

  迄今为止,长征系列运载火箭已实施349次飞行任务,历次任务积累了大量数据。这些数据经过统筹和规范管理后,就成为火箭的知识库。会学习运载火箭从中提取信息、获取经验知识,并与智能控制技术相结合,实现自学习能力,从而不断“成长”。

  此外,火箭要做到终身学习,对控制系统还提出了“一次设计,终身适用”要求,需要其具备一次设计便能覆盖整个型号生命周期的能力。

  对于会学习运载火箭而言,智能控制系统架构是基础,基于全生命周期数据的智能控制算法是核心,基于智能算法的强计算能力是载体。

  我国已取得一定进展 力争2025年具备会学习能力

  在会学习运载火箭相关技术探索和应用方面,我国已取得一定进展。记者了解到,目前北京航天自动控制研究所团队已开始着手对我国在役运载火箭进行改进,向它们普及学习能力。

  2020年7月9日和10月12日,我国先后从西昌卫星发射中心发射长征三号乙运载火箭。这2次任务除了将卫星送入预定轨道,北京航天自动控制研究所攻关团队还在箭上搭载了典型动力故障辨识与制导控制重构技术,圆满完成了飞行试验验证。

  “可以说,长征三号乙运载火箭已具备了一定的智能化特征。”禹春梅表示。目前对长征三号乙运载火箭的改进,仅对算法进行了修改,而种种感知仍是通过原有器件。今后如果要改进得更彻底,还需在箭上增加探测手段。

  对于会学习运载火箭的发展,攻关团队制定了“两步走”计划:在2020年具备强适应能力,意思是让火箭在一些故障情况下具有更强适应能力,还可以继续飞行;力争到2025年具备会学习能力,即让我国在役的主要运载火箭初步具备学习能力。

  此外,会学习的理念,也将融入到我国在研运载火箭的研制中。

【编辑:于晓】
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