运载火箭快速测试发射关键技术*

王子瑜， 陈海鹏， 朱永泉， 王海涛， 宋敬群

(北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

运载火箭快速测试发射关键技术*

王子瑜， 陈海鹏， 朱永泉， 王海涛， 宋敬群

(北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

介绍了运载火箭领域快速测试发射技术的发展历程， 同时梳理美国、 日本快速响应运载火箭在快速测试发射技术上所取得的最新进展. 针对国外运载火箭的研制情况， 对电气系统智能化机内测试技术、 先进地面测发控技术、 智能化故障诊断技术、 并行测试技术等快速测试发射技术进行分析， 研究了其技术优势及需解决的关键技术难题， 为未来我国运载火箭技术发展提供参考.

运载火箭； 快速测试发射； 故障诊断

0 引 言

运载火箭的技术水平代表着一个国家自主进入空间的能力， 是开展空间活动的前提. 而确保快速、 可靠地进入空间是实现航天飞行器快速部署、 重构和维护的迫切需求， 也是大规模和平开发利用空间资源， 服务于国民经济建设的现实需要. 一方面， 随着局部战争中航天飞行器应用的战略战术支持， 快速进入空间实现空间作业和空间攻防对抗已成为未来战争的关键； 另一方面， 突发性自然灾害对天基信息获取与传输的快速响应需求也越来越高[1]. 航天运输系统快速测试发射技术所蕴含的巨大应用价值， 使其成为航天领域研究的热点[2-3]， 美国、 俄罗斯等航天大国均已开展了大量的研究工作[4].

2001年11月， 美国空军航天司令部(AFSPC)公布了《作战快速响应空间运输任务需求声明》报告， 首次对快速空间响应运载器的概念进行了定义， 同时把空间快速响应技术作为未来航天发展的主要目标之一， 目的是在几小时或几天内把卫星发射入轨或快速修复关键的空间系统. 2003年1月， 美国空军航天司令部正式启动快速响应空间计划[5](Operationally Responsive Space， ORS)， 旨在快速发射运载器实现空间卫星部署. 在各项快速响应空间相关计划的支持下， 美国加速了对快速测试发射技术的研究及相关演示验证工作， 最具代表性的就是利用米诺陶火箭发射Tacsat卫星项目， 初步对快速测试发射技术进行了验证. 俄罗斯在快速空间响应运载器上也开展了大量研究， 其退役的弹道导弹大都改制成运载火箭， 在“安全2004”军演期间快速将一颗军事卫星准确发射入轨， 印证了其快速测试发射能力. 日本艾普斯龙的首飞成功， 更是让其快速测试发射技术闪亮国际快速响应舞台.

运载火箭快速测试发射的关键技术包括： 电气系统智能化机内测试技术、 先进地面测发控技术、 智能化故障诊断技术以及并行测试技术等. 本文主要介绍了国外运载火箭快速测试发射技术发展现状， 对快速测试发射的关键技术进行研究， 并分析实现快速测试发射的技术途径， 对我国运载火箭快速测试发射技术研究发展提供参考.

1 国外运载火箭快速测试发射技术发展现状

快速响应空间运载火箭的起源分为两大类， 一种是基于导弹改型， 另一种是专门新研的火箭. 国外新一代运载火箭在动力更新换代、 系统通用化/模块化、 测试自动化等技术的支持下， 其快速进入空间的能力和任务适应性都得到全面地提升和拓展， 可进行一箭一星和一箭多星发射， 初步实现了快速测试发射运载火箭. 而美国正计划发展的快速测试发射运载火箭的发射准备时间甚至可以控制在24 h以内.

近年来， 美国、 欧洲、 日本等一直不懈推动着快速空间响应的发展， 其快速测试发射技术发展水平代表了世界最高水平， 其中以美国的 Falcon 9 运载火箭及日本的Epsilon运载火箭最具代表性.

1.1 Falcon 9运载火箭

Falcon 9运载火箭是美国SpaceX公司研制的一款中型、 低成本、 采用液氧/煤油为推进剂的两级型液体运载火箭(见图 1)， 其设计理念是显著增加系统可靠性、 降低成本， 同时提升快速响应能力.

图 1 Falcon 9运载火箭Fig.1 The Falcon 9 launch vehicle

Falcon 9运载火箭标称发射准备时间为16 d(具体发射准备流程见图 2)， 是国外快速测试发射液体运载火箭中的典型代表： 火箭各部段对接、 各系统功能测试、 全箭健康检查需要10 d； 火箭与载荷对接工作需要2 d； 转场及发射区工作需要3 d； 在发射前1 d起竖运载火箭， 进行发射前测试准备. 这一发射准备周期可以满足各种航天发射任务的需求.

图 2 Falcon 9运载火箭发射准备流程Fig.2 Nominal launch operations flow of Falcon 9

Falcon 9运载火箭合理安排全箭的测试流程， 按模块级到系统级直至最后的全系统测试顺序完成火箭的测试工作. Falcon 9火箭电气系统采用简化设计原则， 通过先进计算机技术和以太网技术进行地面测发控一体化设计， 实现了自动化测试及测试数据的综合处理， 提高了测试效率. 另外， Falcon 9运载火箭采用基于网络信息化的远程发射支持系统， 实现了前后方人员的优化配置和发射任务的快速响应.

1.2 Epsilon运载火箭

Epsilon运载火箭是日本研制的三级固体运载火箭(见图 3)， 包括基本型和扩展型两种构型， 扩展型是在基本型的基础上增加了一个小型液体推进系统， 长度和直径均不变. Epsilon运载火箭研制目的是实现小型卫星的快速发射， 降低成本、 提高发射效率.

图 3 Epsilon运载火箭Fig.3 The Epsilon launch vehicle

Epsilon运载火箭在快速测试发射方面的主要创新在于人工智能自动检测技术和先进地面测发控技术的应用， 其发射准备时间不超过 14 d，火箭从起竖到完成发射需要3～6 d， 而在发射日仅需3 h即可完成火箭的发射. Epsilon运载火箭发射准备流程见图 4.

图 4 Epsilon运载火箭发射准备流程Fig.4 Nominal launch operations flow of Epsilon

Epsilon运载火箭运用人工智能技术支持的自主测试技术， 通过阈值对运载火箭状态进行判断， 并根据动态评估数据对火箭进行故障检测及故障隔离， 实现了运载火箭自动状态检测功能， 这项技术不仅简化了发射场地面设备， 同时也减少了发射场测试时间. 另外， Epsilon运载火箭采用新型地面测发控技术(体系结构见图 5)优化了箭地间通信设计， 同时运用远程发射支持技术， 使运载火箭的测试和发射控制仅使用1台笔记本电脑通过网络就可以在世界上任何地点、 任何时间完成， 是日本第一种可以从发射场以外区域进行发射控制的运载火箭， 极大提高了Epsilon运载火箭的空间响应能力.

图 5 Epsilon运载火箭地面测发控通信体系结构Fig.5 The communication architecture of Epsilon’s test and launch control system

2 运载火箭快速测试发射关键技术分析

快速测试发射运载火箭除了需要设计优化的测试发射流程， 其关键技术还包括： 电气系统智能化机内测试技术、 先进地面测发控技术、 智能化故障诊断技术以及并行测试技术等.

2.1 电气系统智能化机内测试技术

目前国外运载火箭箭上电气系统普遍采用基于总线制的分布式全数字系统， 以往以箭载计算机为核心的集中式控制逐渐被“箭载计算机+各类控制器”的分布式控制所替代[6]. 即， 火箭各电气系统单机设备均设计成一个独立的数字化部件作为“站点”挂在总线上， 所有站点的信息交互均通过总线实现， 构成了一个开放的、 信息高度共享的全数字、 分布式系统， 通过总线可以监测箭上电气系统的全部信息. 在此模式下， 对电气系统的测试性设计提出了较高的要求， 良好的测试性设计可以有效地缩短运载火箭测试发射流程， 极大提高测试效率. 智能化机内测试(Built-in Test， BIT)技术是目前解决高复杂系统和设备测试性最有效的途径之一， 是运载火箭快速测试发射的关键技术之一.

BIT技术是指系统或单机设备利用其内部设计的一些自检测电路和软件为系统或单机设备提供检测、 诊断故障然后隔离故障的一种自动测试技术[7-8]， 其结构原理如图 6 所示.

图 6 BIT结构原理图Fig.6 The function diagram of BIT

BIT技术是复杂系统或单机设备设计、 状态监测、 诊断故障和维修决策等方面的共性技术， 能够提高系统故障诊断的精确性、 缩短故障诊断时间， 并能及时向测试人员报告被检测系统或单机设备的状态， 对提高运载火箭测试发射效率具有重要意义. 典型BIT工作流程如图 7 所示， 系统在启动BIT、 周期BIT和交互式BIT 3种监测方式下检测系统中可能存在的故障， 并将故障定位到可更换单元(Line Replace Unit， LRU).

图 7 典型BIT工作流程Fig.7 The framework of BIT

运载火箭电气系统在进行BIT设计之前， 应先进行各分系统及单机设备的测试性分析， 之后按照“确定系统BIT功能及工作模式→确定BIT测试等级→权衡BIT软件和硬件→设计合理的BIT方案→选取合适的测试项目与测试点”流程[9]进行电气系统BIT设计， 最后依据故障检测率(FDR)、 故障隔离率(FIR)及虚警率(FAR)3个指标对电气系统BIT设计进行评价[10].

运载火箭电气系统采用BIT技术应遵循如下原则：

1) BIT设计应是单机设备的一个组成部分， 当执行BIT功能时， 不需要外部激励或测量设备， 而是利用单机内部的自检测电路， 通过硬件和软件激励完成在线BIT功能.

2) BIT自检测电路和软件设计必须具有高可靠性， 不能由于BIT电路或软件的失效影响系统的性能. 同时BIT自检测电路和软件的设计增量， 不应超过单机电路、 器件和软件设计的10%.

3) BIT监测方法的选取应根据使用中允许的最大故障检测时间来确定： ① 启动BIT， 系统上电启动时， 对单机设备内部执行自检测； ② 周期BIT， 电气系统正常工作期间， 对各单机设备内部测试点进行实时监测， 周期性地将监测量数据发送至总线； ③ 交互式BIT， 单机设备通过总线接收某种特定测试指令完成某些复杂的BIT测试.

随着运载火箭电气系统向数字化、 智能化方向的发展， BIT技术作为提高电气系统测试性最为有效的途径之一将融入到火箭电气系统的设计当中， 未来通过智能化BIT以及BIT技术与自动测试设备(Automatic Test Equipment， ATE)的融合， 将以尽可能少的附加硬件/软件提高电气系统测试效率.

2.2 先进地面测发控技术

地面测发控系统是运载火箭的重要组成部分， 用以完成运载火箭的测试、 射前监测和发射控制. 传统运载火箭的测发控技术一直定位于对火箭箭上产品的功能、 性能指标测试， 随着新技术的发展， 特别是在箭上电气系统总线化、 测试发射快速化需求的牵引下， 地面测发控技术取得了显著进步[11-12].

2.2.1 一体化设计技术

Epsilon运载火箭就采用了一体化地面测发控系统设计， 大幅简化了地面测发控系统设备， 极大地提高了测试效率. 图 8 是Epsilon运载火箭地面测发控系统工作原理图， 从图中可以看出： 火箭优化了箭地间通信结构设计， 全箭通过供电线路、 全箭监测/控制线路以及应急控制线路完成箭地的联系； 另外， 后端控制中心测发控系统一体化设计， 使用极少的测发控设备即可完成运载火箭状态监视以及测发流程控制[13].

图 8 Epsilon运载火箭地面测发控系统工作原理图Fig.8 The function diagram of Epsilon’s test and launch control system

地面测发控一体化设计技术是运载火箭测发控系统一个不容忽视的发展趋势. 一体化测试技术优化了地面测发控系统设备， 实现了箭上和地面大量数据的集中处理、 实时存储、 分析与显示， 可以大大简化数据处理构架， 减少地面发射支持人员工作量. 另外， 通过地面设备模块化、 接口通用化等设计方法， 能够根据不同的测试需求任意组合地面测发控设备模块， 这不仅无需增加或改变接口及通信协议， 同时极大提高了设备自身的可靠性. 一体化设计程度的提高不仅减少了地面测发控系统设备展开、 测试、 排故的时间， 也将大大缩短运载火箭的测试周期.

运载火箭地面测发控系统一体化设计技术原理示意图见图 9， 其实现了集成化网络通信、 集成化供配电、 集成化测发控、 集成化信息处理与存储以及集成化信息应用5方面内容， 具体如下：

1) 集成化网络通信： 采用集中设计模式， 选用高可靠的网络拓扑结构， 组建集成化的前后端的通信链路， 实现前、 后端设备间的网络通信， 信息交换与共享.

2) 集成化供配电： 将运载火箭箭上供配电功能进行一体化设计， 采用一套地面设备， 完成所有系统供配电.

3) 集成化测发控： 采用一套地面设备， 完成运载火箭的测控功能， 实现应急通道的一体化设计、 测发控功能一体化设计等.

4) 集成化信息处理及存储： 对后端测控微、 服务器进行整合， 根据系统及功能进行划分， 采用云计算技术， 统一进行管理， 实现基于云计算平台的信息处理系统， 并集中实现数据库设计与管理.

5) 集成化信息应用： 采用一体化软件设计平台， 通过大数据技术实现全系统的集成化信息应用.

图 9 运载火箭地面测发控一体化原理示意图Fig.9 The illustration for test and launch control system based on incorporated technology

图 10 运载火箭远程发射支持系统框架图Fig.10 The block diagram of long distance launch support system of launch vehicle

2.2.2 远程发射支持技术

运载火箭远程发射支持技术是指通过在前方(火箭发射场)、 后方(设计部门)建设数字化的测试监测及信息应用系统， 在后方实现对前方测试数据、 图像信息等的完整映射， 远程再现发射场情况， 使后方设计人员能够实时监测运载火箭状态， 完成运载火箭的测试发射工作[14]. 该技术可以有效减少发射场人员， 充分利用后方软硬件资源与专家智力资源， 提高测试发射效率， 在远程实现运载火箭的快速响应. 同时， 也可以使有限的测试人员兼顾多发次火箭的测试发射任务. 远程发射支持系统框架如图 10 所示.

前方将运载火箭现场的各种图像、 音/视频信息进行采集并通过网络传递到后方， 实现远程监视、 前后方现场互动协调， 并将后方专家决策信息传递到前方； 另一方面， 前方将运载火箭各系统测试数据进行汇总整理， 通过网络在后方再现前方火箭的各种测试信息， 可供后方进行测试数据的判读、 对运载火箭状态或故障进行分析等工作， 实现前后方协作的远程自动化测试发射支持工作模式.

2.2.3 测试数据自动判读技术

测试数据的处理和判读是运载火箭在测试发射过程中非常重要的环节. 当测试结束后， 通过实时自动判读得出测试结论， 为运载火箭的测试和发射提供可靠保障， 提高了测试效率. 测试数据的自动判读方法主要从以下两个方面着手： 一是通过对运载火箭测试数据的特征点进行分析， 找出测试数据的规律； 二是根据其规律， 制定合理可行的自动判读依据， 并进行判读知识库的设计和自动判读软件设计.

2.3 智能化故障诊断技术

以往运载火箭测试中的故障诊断， 往往依赖专家经验采用排除法对可能出现故障的部位进行逐一排查， 耗费时间长， 不能适应快速测试发射运载火箭的需求. 随着科学技术的进步， 国外运载火箭在故障诊断技术研究与应用方面取得了显著进步， Falcon 9火箭和Epsilon火箭多次在发射前通过智能化故障诊断技术发现问题.

故障诊断技术是运载火箭测试中的重要环节， 是指利用测试检查方法发现系统和设备故障并减少故障影响的过程、 方法和技术[15]. 故障诊断技术通过获取全箭测试信息， 以“专家系统”为基础对运载火箭测试过程中的数据进行实时自动分析、 诊断推理， 实现对故障的实时检测和诊断定位， 并能辅助技术人员进行故障排查、 解决， 将故障影响降到最低， 同时提升运载火箭的测试效率[16-17].

运载火箭应用故障诊断技术应关注以下方面：

1) 箭上设备的智能化. Epsilon运载火箭在箭上配备了快速测试操作支持设备(Responsive Operation Support Equipment, ROSE)， 该设备作为箭上故障检测的核心设备负责火箭状态监测、 紧急终止和数据传输的中枢功能. ROSE将火箭测试方案、 测试指令、 测试的正常响应等存储在数据库中， 并依据数据库中的各种检测信息执行自检测功能， 将采集的数据与正常数据比对， 实现运载火箭的诊断工作.

2) 箭地融合技术. 采用箭上智能化单机设备， 通过故障诊断核心单机的自检测功能， 可以较好地实现运载火箭的测试以及特定模式的故障诊断. 但由于箭上单机只对特定故障模式有较好的检测效果， 这就需要将箭上电气系统与地面测发控进行融合设计， 将运载火箭的测试重心放到箭上， 地面测发控系统同步进行协同分析. 同时辅以技术人员通过监测终端对火箭测试数据进行人工分析、 决策.

3) 故障诊断方法. 常用的故障诊断方法主要是基于阈值判别机制的故障诊断、 基于知识库的专家系统故障诊断、 基于模型的故障诊断、 基于自学习的推理机制、 基于信息融合的故障诊断以及自主诊断技术. 各种方法在其适应领域均有较为出色的表现， 但也存在一些局限， 未来多种方法的融合将成为运载火箭故障诊断的重要途径[18].

2.4 并行测试技术

并行测试是指通过增加单位时间内被测对象(Unit Under Test， UUT)的数量以提高系统吞吐率， 同时在每一个被测对象内部并行测试多个被测参数， 并根据测试需求自动调度每个被测对象及被测参数， 提高测试资源利用效率[19]. 并行测试技术是将先进并行处理技术引入自动测试领域所形成的一种先进测试技术， 美国NxTest体系将其列为下一代关键技术之一， 具有大幅减少测试时间， 提高测试效率的优势.

并行测试技术[20]主要包括同一时间内进行多个UUT并行测试和一个UUT同步或异步进行多项测试， 实现对一个UUT多个参数的测试共两种模式.

2.4.1 单个UUT并行测试

将单个UUT测试任务按功能划分为若干相对独立的测试参数， 通过同步或异步运行两个或多个测试程序， 对UUT多个参数进行测试.

2.4.2 多个UUT并行测试

目前有3种途径实现多个UUT并行测试：

1) 通过接口开关转换进行多个UUT并行测试. 此种方法适用于只有一套测试设备的测试系统， 通过选择不同UUT的接口开关， 将不同的UUT接入测试系统进行测试.

2) 通过“交错”进行多个UUT并行测试. 在多个UUT并行测试过程中， 根据需求合理安排各UUT测试任务顺序， 通过各测试任务交错来实现并行测试.

3) 通过自动调度进行多个UUT并行测试. 此方法不仅可以对多个UUT同时测试， 而且对每个UUT的内部参数也可进行并行测试. 它根据测试需求自动调度各UUT及每个UUT的被测参数， 从测试伊始就并行执行所有测试任务， 使得测试资源始终处于非空闲状态.

自动调度并行测试是目前并行测试技术中较为合理和先进的， 图 11 是该方法的流程图.

图 11 自动调度并行测试流程图Fig.11 The framework of automatic scheduling parallel test

测试任务的分解是自动调度并行测试的实现前提， 其影响到最终并行测试的执行效率及执行时间. 测试任务分解应以“关联性强者归一、 等待间隔长者分解”为原则， 综合考虑颗粒度和测试切换对任务执行的影响： 颗粒度过小、 任务频繁切换导致切换准备时间过长， 影响测试效率； 颗粒度过大、 测试项目内等待导致执行时间延长， 并行执行效率下降. 使用自动调度并行测试方法相较传统顺序测试， 可以大幅减少测试时间， 提高测试效率.

对运载火箭而言， 并行测试可从两个维度进行： 一方面运用统筹学方法安排测试项目， 合并优化测试流程， 不干涉的测试项目并行开展， 达到缩短测试时间的目的， 这是提高测试发射效率的有效手段； 另一方面对各系统测试参数开展并行测试， 这涉及到测试任务分解， 测试仪器资源分配， 测试软件多线程设计等， 需要在系统前期测试项目和测试点分析时就开展规划.

3 结 论

快速测试发射技术对实现运载火箭快速、 可靠进入空间具有极大的军事和经济价值， 是未来航天技术发展的主要方向之一. 实现运载火箭的快速测试发射， 需要解决诸多技术， 电气系统智能化机内测试技术、 先进地面测发控技术、 智能化故障诊断技术以及并行测试技术是其中的关键技术. 通过本文对运载火箭快速测试发射技术的研究， 希望对我国运载火箭未来快速测试发射技术发展提供参考， 对未来运载火箭型号的研制具有一定的指导意义.

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SurveyandReviewonRapidTestTechnologyofLaunchVehicle

WANG Zi-yu, CHEN Hai-peng, ZHU Yong-quan, WANG Hai-tao, SONG Jing-qun

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076, China)

The developing course of the rapid test technology of launch vehicle was introduced, and reviewed the latest progress in the United States and Japan. According to the development situation of rapid test technology in foreign countries, measuring and testing technology of electrical intelligent machine, advanced test launch control technology, intelligent fault diagnosis technology, parallel test technology, and other rapid test launch technology were analyzed. On the basis of the analysis, technical advantages and key technical problems were introduced, which were providing reference for the future development of the China’s launch vehicle technology.

launch vehicle; rapid test; fault diagnosis technology

1673-3193(2017)03-0307-09

2016-09-19

王子瑜(1985-)， 男， 工程师， 硕士， 主要从事运载火箭电气系统总体设计的研究.

V467

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.011