適應低溫火箭發射的長征五號系列運載火箭測發控架構

王雨萌，孫兆牛，連 盟，田建宇，陳振華

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 文昌航天發射場指控中心，文昌，571300）

0 引 言

長征五號運載火箭芯級使用液氫液氧低溫燃料發動機，具有“無毒、無污染、比沖高”等優點，但低溫推進劑存在加注后停留時間短、發射流程不可逆、液氫加注后安全風險高等問題，這就要求火箭有更高的發射可靠性。作為中國目前運載能力最大的一款火箭，采用垂直組裝、垂直測試、垂直轉運的“三垂”全新測發模式，射前-10 h開始液氧加注，-6 h開始液氫燃料加注，為保障人員安全，液氫加注開始測試發射控制系統（以下簡稱“測發控系統”）前端技術人員撤離至后端，測發控系統進入前端無人值守工作模式。相較于中國傳統運載型號，長征五號測發控系統射前前端撤離時間最早，設備加電時間最長。測發控系統從火箭低溫燃料加注到點火起飛，經受最嚴苛的振動力學、熱環境、鹽霧環境考驗，所以對其可靠性、安全性都有更高的要求：必須具備有效的遠程控制監測能力，遠程故障處理、隔離能力和系統重構能力，才能解決-6 h前端無人值守難題，適應大型低溫液體火箭快速、準時地發射[1]。

1 大型火箭測發控系統

測試發射控制系統是對控制系統性能及整體配合性及協調性進行綜合測試，對發射條件檢查和準備，對火箭按命令進行點火發射的系統。

1.1 國外先進運載火箭測發控系統構架

宇宙神5系列火箭和阿里安5系列火箭采用“三垂”的測發模式，德爾塔Ⅳ火箭采用“兩平一垂”測發模式（水平組裝、水平測試、垂直轉運），SpaceX公司研制的獵鷹9火箭采用“三平”測發模式（水平組裝、水平測試、水平轉運）。最早射前-4.5 h加注液氫液氧，開始前端無人值守工作模式。這4款火箭測發控系統均設計了自動化試驗與監控軟件系統，地面設備以工業計算機和工作站為主，操作人員通過PC機向火箭與發控臺發送指令，射前采用全自動同步程序技術，執行火箭發射前全自動測試流程和最后操作[2,3]。

1.2 長征五號系列運載火箭測發控系統架構

長征五號系列運載火箭采用“三垂”測發模式，測發控系統采用前端加電、執行設備+以太網+后端控制、實時監控的遠程發射架構。-6 h開始前端無人值守工作模式，-3 h進入射前自動測試流程，整個發射流程由后端主控計算機的測試軟件控制，向火箭與后端發控臺發送控制指令，實行全自動測試流程；后端可實時監測各種數據和狀態，判斷箭體和前端設備的工作情況。

通過與國外部分主流大型運載火箭“三垂”測發模式，以及遠程控制、全自動測試等測發控系統架構的對比，長征五號系列運載火箭測發控系統已達到國際一流技術水平。

2 長征五號系列火箭高可靠測發控系統

2.1 系統組成

長征五號系列運載火箭測發控系統包括：前端測發控設備、后端測發控設備以及測發控軟件，見圖1，前端設備接收箭上的狀態反饋及總線數據，發送至后端實時顯示，測發軟件執行手動及自動測試流程。與傳統運載火箭相比，在活動發射平臺底部設置了前端設備間，空間狹小，前端設備放置其中，要求測發控系統有更高的集成化設計。

圖1 長征五號系列運載火箭測發控系統組成Fig.1 The Composition Block Diagram of Test Launch Control System in LM-5

2.2 系統關鍵技術

2.2.1 遠程控制、狀態監測技術

遠程控制技術、遠程狀態監測技術主要用于解決長征五號火箭-6 h前端無人值守難題，由后端通過以太網對前端設備和火箭狀態進行控制和監測。實現遠程控制的關鍵是PLC發控系統，采用高容錯變結構熱備冗余設計，由后端控制臺中熱備冗余的主、備PLC CPU站（運行控制邏輯運算）和前后端各兩套并聯工作的PLC I/O站（接收按鈕或自動發控指令，輸出邏輯運算結果，接收狀態信號）組成，如圖2所示，主控計算機甲機工作，乙機為備機，虛擬顯示計算機并聯工作；PLC發控系統通信協議如圖3所示；系統輸入、反饋信號流程圖見圖4。

圖2 PLC發控系統組成結構Fig.2 The Composition Block Diagram of PLC Launch and Control System

圖3 熱備冗余PLC發控系統通信協議Fig.3 Hot-standby Redundancy Communication Protocol Diagram of PLC Launch and Control System

圖4 PLC發控系統輸入反饋信號流程Fig.4 Input Signal and Feedback Signal of the Flow Chart that PLC Launch and Control System

熱備冗余PLC發控系統采用手動控制與自動控制并聯的方式實現控制通道的冗余，保障控制指令可靠發出，如圖5所示。系統測試控制時主要使用自動流程控制，在點火等關鍵操作上使用手動控制[4～6]。

圖5 PLC發控程序設計示意Fig.5 Schematic Diagram of the PLC Launch and Control System Design

后端發控臺、虛擬顯示計算機等實時監測前端設備以及箭上狀態反饋、總線信號等重要信息，并采用大數據實現的海量數據自動判讀技術，自動濾除偶發干擾信號，通過后端檢測計算機軟件對箭地模擬量進行實時判讀，超差報錯，提高了測試過程中對系統實時監測的工作效率，為故障診斷和處理爭取時間，向智慧型火箭的系統自動故障診斷作出了第1步推進。

在以太網故障，測發控系統前后端通信斷開時，可通過前后端應急設備完成箭機開算、點火等重要信號的發送。應急設備還為測量系統、動力測控系統、發射支持系統提供了前后端重要信號的應急通路。

遠程控制還包括地面電源遠程調壓技術，遠程中斷前端設備供電、設備切換技術，中頻電源遠程復位技術。能夠完全適應長征五號系列運載火箭發射任務-6 h前端無人值守的嚴苛工作狀態。

2.2.2 高可靠多余度測發控技術

由于長征五號系列運載火箭用于執行國家重大發射任務，因此對全箭包括測發控系統的可靠性設計要求極高。測發控系統具有操作系統的設備采用BIT技術（內部檢測并隔離故障的能力），具備上電自檢的功能，保證設備工作正常，方可參加系統測試及火箭發射任務。

為消除影響成敗的單點故障，測發控系統進行了包括元器件級、模件級、單機級冗余設計，大幅度提高系統的可靠性。測發控系統可靠性框圖如圖6所示。

圖6 測發控系統可靠性框圖Fig.6 Reliability Block Diagram of Test Launch Control System

可靠性計算公式如下：

式中λs為產品總的失效率；λi為單個元件的失效率；t為任務時間；R為任務可靠度，推導出各單機任務可靠度。計算系統總失效率sλ：將測發控系統各單機的產品失效率λi代入上述公式，可推導出系統的任務可靠度預計值R=0.9965，高于中國傳統火箭（中國各火箭測發控系統任務可靠度要求值見表1）。

表1 中國各火箭測發控系統任務可靠度要求值Tab.1 Reliability Requirements of Test Launch Control System in Various Domestic Launch Vehicle

測發控系統設備發生故障時的系統重構按不同的冗余設計模式分為以下幾種。

a）元器件故障處理。

點火、緊急關機等重要信號通路和應急控制通路均采用三取二冗余設計（見圖7），任一元器件出現故障（圖7中假設K1故障），都不影響發射流程的繼續，最大程度地保證了關鍵信號在地面設備異常狀態下正常輸出的能力。

圖7 三取二冗余設計Fig.7 Two Out of Three Redundancy Design of Important Signal Path

b）模塊故障重構。

PLC發控系統屬模塊級冗余設計：兩套熱備冗余的PLC CPU站中，主CPU默認為激活狀態，備CPU與激活狀態CPU實時數據同步，備CPU可在主CPU故障時實現無縫切換。前后端PLC I/O組合任一發生故障，后端發控臺可遠程斷前后端一套故障PLC I/O組合電源（前后端兩套任意組合），對其作出故障隔離處理，完成系統重構，如圖8所示，僅使用前后端一套PLC I/O組合進行后續測試。

圖8 PLC發控系統故障后系統重構Fig.8 System Reconfiguration after PLC Launch and Control System Broke Down

c）單機故障重構。

單機冗余設計分為雙機并聯冗余和主副機熱備冗余，在其中1臺發生故障時，可采用后端遠程控制前后端設備主副機無縫切換、隔離故障設備、系統重構的故障處理方式使測試流程繼續。測發控系統典型單機冗余設計箭地計算機故障重構見圖9，地面電源和測試系統故障重構見圖10。

圖9 箭地計算機故障后重構流程Fig.9 Flow Chart of Reconfiguration after the Ground Test Computer Broke Down

圖10 測試系統、地面電源故障重構流程Fig.10 Flow of Reconfiguration in Test System and Ground Power Broke Down

長征五號系列運載火箭在某次發射場測試任務中發生前端地面直流電源故障，主副機切換事件。切換過程中及切換后，測發控系統和箭上控制系統狀態及各項參數正常，電源切換過程中電壓曲線如圖11所示。電源副機電壓較主機低1 V，電源主副機切換前后輸出電壓下降1 V，但總體平穩，沒有突然升高或降低，保持在單機設備工作電壓范圍之內。

圖11 地面電源切換時的電壓波形Fig.11 Voltage Waveform when Switching of Ground Power

因此得出結論：在地面直流電源主機發生故障時，備機可無縫切換并保持設備及系統的穩定。本次故障處理以實踐驗證了長征五號火箭高可靠多余度測發控系統的故障設備隔離、系統重構技術的有效性。

在真實發射時，測發控系統在發射場均配備了元器件、模塊及整機備件，并做了詳細的故障預案：在設備故障，能夠進行更換處理的時機，可由操作人員在現場對故障件進行更換。

3 結束語

長征五號系列運載火箭測發控系統設備以高可靠、強適應能力的特點，一套地面設備能夠兼顧探月三期、火星探測、載人空間站的測試發控需求，即適應長征五號基本型及B型火箭承擔的多種任務需求，并已經過多次國家重大發射任務實戰驗證，具有較強的創新性、實用性和通用性，顯著提高了工作效率和經濟效益，達到了國內外先進水平，且部分單機與其他運載型號實現了通用化設計。

其搭建的智能化平臺對于其它運載火箭測發控系統的更新改造等普遍適用，具有重大意義：采取大數據技術創建集成一體化智慧火箭平臺，實現測發控系統全部測試數據、設備狀態在線分析判讀，實現測發控系統智能故障診斷，故障自動處理及系統重構。