航班化航天運輸系統中的控制問題

包為民，祁振強

(1. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048；2. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引 言

太空領域是21世紀世界大國競爭的重要疆域,世界航天已進入以大規模互聯網星座建設、空間資源開發、載人月球探測、大規模深空探測為代表的新階段,全球航天發展的新浪潮澎湃而至。美國太空發射系統(SLS)為重返月球已完成首次飛行,維珍銀河、藍色起源、SpaceX等公司開啟了人類太空旅游的先河。人類對太空的依賴與日俱增,進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輸系統的重要標志,發展航班化的航天運輸系統也成為進出空間的重要途徑和主要方向[1]。

航天運輸系統作為一個國家開展航天活動的支撐和基礎,是其綜合國力的重要標志[2]。經過60余年的不懈努力,中國運載火箭走過了從無到有、從有到全的發展歷程,形成了較為完備的產品系列,為中國載人航天、月球探測、火星探測等重大工程的順利實施奠定了堅實基礎。近年來,以CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-8等為代表的第三代運載火箭成為航天任務主力擔當,以新一代載人火箭、重型運載火箭為代表的第四代運載火箭正在研制當中,實現重復使用將進一步提高中國進入空間的能力。

瞄準全面建成航天強國,中國將進行載人月球探測、月球科考基地建設、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更遠。這對航天運輸系統的品質屬性和載荷能力提出了更高要求,像飛機一樣實現航班化運營,是革命性提升航天運輸系統能力的重要途徑[1,2]。站在新的歷史節點上,面向多樣化發展需求,中國應拓展發展理念,大力研發航班化的航天運輸系統,迎接航天運輸新時代。

本文將從航班化航天運輸系統面臨的挑戰、所需的智能及信息技術支撐等方面展開探討,提出當前面臨、亟需解決的問題,為廣大科技工作者提供研究參考,助力實現中國航天運輸系統“從全到強”的歷史跨越,為滿足未來大規模探索與開發太空、人民對未來美好生活向往以及延拓人類生存與發展等的需求,貢獻中國航天智慧。

1 航班化航天運輸系統面臨的挑戰

1.1 系統組成及發展路線

航班化航天運輸系統主要由1小時全球抵達運輸、天地往返運輸、空間轉移運輸等3類系統組成,具有重復使用、智能化、模塊化、標準化、產業規模化等技術特征[1],如表1。

表1 航班化航天運輸系統組成Table 1 Components of the airline-flight-mode aerospace transportation system

發展路線可劃分為3個階段:1)近期目標(起步建設),包括完成關鍵技術實現突破、基礎研究獲得進展、開展技術驗證飛行試驗等;2)中期目標(初步建成),包括重復使用次數達到50～100次、單位載荷發射成本降低50%以上、周轉時間不大于1周、實現初步航班化運營等;3)遠期目標(全面建成),包括重復使用次數100次以上、單位載荷發射成本降低1到2個量級、周轉時間12 h、實現全面航班化運營等。

1.2 面臨的考驗與挑戰

隨著未來航天任務的任務高密集,使得航班化航天運輸飛行面臨新挑戰。異構多型的在軌飛行器、在軌巨型星座等形成的密布動態空間運營環境,空間碎片、殘骸等形成的不確定性環境,頻繁高速跨域飛行中嚴苛的力、熱環境,全球抵達運輸的大氣環境與全球發射場/著陸場環境,以及深空探測中的極端飛行環境等都將成為航班化航天運輸面臨的新環境。與之對應的任務特點也將新質呈現為,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、空間碎片等動態環境約束的飛行管道設計,多飛行器間的太空軌道交通管理,滿足空間組裝、加油、中轉任務的航天器互相協作等。

上述環境變化與任務特點對航班化航天運輸,尤其是飛行器控制系統提出了新的考驗,主要體現在:

1)在軌巨型星座、空間碎片等共存形成的密布動態空間導致飛行管道越來越窄。以500 km軌道高度為例,在未來分布10萬個巨型星座衛星、2萬個空間碎片和航天器殘骸的情況下,航班化航天運輸飛行器的飛行管道僅約80 km左右;

2)許用運行管道呈現為動態變化。空間飛行器、空間碎片的飛行馬赫數均在25以上,運行軌道呈立體分布,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飛行;

3)飛行環境是強不確定的。航班化航天運輸除了上升段外,還涉及再入返回、著陸、再次發射等過程,飛行剖面既有程序指令單安排的運輸任務,還有應急調度安排的重規劃飛行以及適應任務降級的備降/迫降任務等,頻繁跨域飛行中的環境不確定性強。

這些考驗使得航班化航天運輸的飛行控制單靠人來管理已不現實,已成為典型的無人自主控制系統,對航天控制提出了新的挑戰:

1)如何在狹窄、動態的飛行管道下精準控制,實現航班化航天運輸的安全飛行?

2)如何快速規劃飛行任務走廊,實現航班化航天運輸飛行器的跨域、靈活天地穿梭?

3)如何構建航班化空間運營體系,實現航班化航天運輸飛行器的協同與控制?

2 航班化航天控制需要智能賦能、信息驅動

從航班化航天運輸飛行的角度來看,存在飛行管道更狹窄、全球覆蓋飛行下環境不確定性更強、航班化運輸飛行器、空間碎片及殘骸等數量構型眾多、空天域信息種類和數量更多、信息異構更復雜、信息動態變化更快(易缺失信息)、信息跨域傳輸更遠等問題[3-4]。應對這些,在不確定環境與異常情況的感知與認知、飛行器的自主決策與精準控制、多飛行器的協同合作等方面需要發展智能技術以融合支撐[5～7];在海量異構信息的產生/傳輸/處理、準確高效利用信息以及實現航班化運輸體系運營管理等需要發展信息技術以有效應對。

2.1 智能賦能航班化航天運輸

航班化航天運輸的智能賦能將依托智能算法、算力、數據、知識,實現環境與本體的有效感知與準確認知、管道與軌跡的規劃決策與精準控制、多飛行器間的協同合作與沖突消解,實現航班化航天運輸飛行器狹窄管道內的安全飛行與靈活穿梭。具體表現為:

1)有效感知、準確認知:包括智能感知飛行環境,智能預測空間碎片、殘骸等的運行軌跡,智能監測自身狀態、診斷異常故障等;

2)規劃決策、精準控制:包括自主決策飛行管道、規劃飛行軌跡,自主重構故障,自主應對不確定突發狀況等;

3)協同合作、沖突消解:包括太空擺渡、自主加注、中轉與組裝,多飛行器間協同飛行,動態障礙的自主規避等。

航班化航天運輸重復使用次數多、周轉周期短、飛行距離遠(部分飛行器長期在軌),還需通過訓練、學習、演進,使飛行器具備邊飛邊學與終身學習能力,實現個體強適應、任務快響應、飛行自學習、一次設計延伸全生命周期、可重復使用以及控制系統能力的迭代優化等,彌補程序化控制帶來的局限性,持續提升航班化航天運輸的可靠性與自主性。

2.2 信息驅動航班化航天運輸

控制始于對控制目標和環境態勢的信息反饋,信息的傳遞是為了更好地實現控制意圖[8]。航班化航天運輸中的信息主要包括:確定性信息(包括空管運營信息、在軌巨型星座信息、協作飛行器信息等)和不確定性信息(包括跨域復雜力熱環境信息、空間碎片信息、本體診斷信息、突發事件信息等)。綜合信息高效應用,是支撐飛行器應對航班化航天運輸中復雜環境、任務、突發狀況,實現控制意圖的基礎。

適應航班化航天運輸控制,主要通過拓寬獲取的維度與來源,依賴太空軌道管理信息、航班化運營管理信息等實現對信息的可靠獲取;通過信息的壓縮與解密,信息的低延時、強抗擾,以及信息的傳輸協議與標準體系等實現對信息的可信傳輸;通過本體、環境、任務、運營管理等的多源信息處理能力,信息與資源統一調度管理等實現對信息的敏捷處理。

在以上信息處理的基礎上,將智能賦能下的航天控制與信息更深度的融合,實現信息驅動下的航班化航天運輸控制,主要體現在:

1)第一層次:制導與姿控環——利用自身的控制信息,實現在動態、狹窄管道中的精準控制;

2)第二層次:指揮管理環——利用感知的環境態勢信息與飛行器本體信息,實現對航班化運輸飛行器的飛行狀態管理;

3)第三層次:空間體系運營環——利用空間飛行器、碎片等的監控信息,實現對整個空間的體系化管理。

最終形成航班化航天運輸系統的信息綜合與控制系統。

2.3 航班化航天運輸系統的信息綜合與控制系統

航班化航天運輸控制的內涵由傳統面向飛行器的“姿控-制導”的兩重回路,延展為適應復雜異構多體協同的“姿控-制導-指揮管理-空間體系運營”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;內重回路是外重回路實現的前提和基礎。

圖1 航班化航天運輸系統的信息綜合與控制系統結構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+制導回路。①通過跨域高動態智能制導與制導、復合控制策略和再入控制、高動態環境下的高精度導航實現強適應制導與控制;②通過制導控制參數自優化、策略自學習等,持續改善飛行品質,實現飛行中的自學習;③基于對歷史信息和知識的學習,飛行器模型(包括動力、氣動、結構等)認識越來越準,飛行性能越來越好,支持長期運營服務,更加可靠、舒適、經濟,實現全生命周期終身學習。

2)第二層次:指揮管理回路。①通過對空間碎片、殘骸的在線感知與威脅評估,環境與本體參數的在線辨識、自身故障的自檢測等實現自感知、自診斷;②基于密布動態空間信息,實現上升段、再入段的狹窄管道規劃與設計;③通過飛行能力在線評估,飛行任務、飛行管道在線決策,在天-地聯動下完成應急故障的指揮與控制。

3)第三層次:空間體系運營回路。①通過星箭組網、互聯互通,實現對航班化運輸飛行器、在軌航天器、空間碎片的動態監視;②通過信息互享、太空多飛行器軌道管理,智慧地表/太空聯合管理等,實現國際太空合作與運營管理;③構建太空云港,箭群/星群共享停、修、補、傳服務,形成航班化運輸新生態。

目前,第一層次已閉合。計劃在“十四五”期間,閉合指揮控制回路(第二層次),并探索空間體系運營回路(第三層次)的相關技術與產品。在本世紀中葉,完成空間體系運營回路的閉合,輔以智能賦能,實現航班化航天運輸系統的高效、穩定運營。

3 航班化航天運輸控制系統需解決的若干問題

發展智能賦能和信息融合的航班化航天運輸系統,布局開展研制攻關和技術突破,需要解決若干問題。

1)構建航班化航天運輸運營管理體系

基于制導與控制、指揮管理、空間體系運營3個層次,構建運營管理體系,對航班化航天運輸系統進行“頂層”管理,為航班化航天運輸提供體系化保證,使航班化航天運輸系統具備典型能力要素:

a.融合性:運用異構信息、聯合異構對象,實現跨域協作與智能決策;

b.協調性:多飛行器動態指揮與控制;

c.靈活性:動態、狹窄空間內靈活穿梭;

d.安全性:故障即時處理、應急避障與智能重構。

2)研發適應航班化航天運輸運營管理體系的控制系統架構

在航班化航天運輸運營管理體系下,建立包含多層級信息快速獲取與處理、計算資源調配與軟件定義的控制系統架構,實現對信息的隨取隨用、對資源的靈活遷移、對功能的自由組合,滿足航班化航天運輸飛行運營管理與自主控制的需求;實現天地信息一體化設計,構建太空信息、星/箭信息、地面信息的全信息處理體制等。

3)夯實智能賦能、信息驅動下的航班化航天運輸控制理論研究

包括密布動態空間下安全運籌規劃機理(信息空間描述、博弈與運籌規劃)、多源異構空間信息智能感知與融合理論(本體狀態與故障感知、在線決策與重構)、面向重復使用的智能控制理論(高精度著陸控制、健康評估理論)、面向故障的航天控制設計理論(行為和結果的支撐論據、冗余與可靠)、邊飛邊學與終身學習的智能控制理論(高效表達、增量學習)等。

4)探索深化航天信息與控制技術融合發展

一是以信息技術促進航天控制系統的體系化與智能化,保證體系中各平臺、載荷、鏈路等要素之間互相配合與協調,并將全域信息系統時刻與控制系統進行信息交換,保障控制系統實時高效運行;二是通過航天控制為信息技術提供應用平臺(包括航班化運輸、地月經濟區等各類復雜航天任務),并以重大科技工程為需求牽引信息技術發展。

4 結 論

世界航天即將迎來大規模進出空間的“航班化航天運輸時代”,站在新的歷史節點上,面對新的需求、機遇和挑戰,我們要把握機遇、迎接挑戰,立足中國戰略發展需求,發展航班化航天運輸系統,夯實基礎、堅持創新驅動發展,探索新技術新方法,科學規劃產品體系,“智能賦能、信息驅動”,謀篇長遠,構建體系;實現中國航天運輸系統的跨越式發展,走出中國特色的航班化航天運輸系統發展路線,建成世界一流水平的航班化航天運輸系統!