9月27日18時30分,長征二號丁運載火箭在酒泉衛星發射中心一飛沖天,隨後將我國首顆可重複使用返回式技術試驗衛星——實踐十九號衛星送入預定軌道,發射任務取得圓滿成功。
新一代運載火箭肩負著未來載人登月、深空探測等重大任務,不僅是我國航天事業的重要里程碑,更是探索宇宙和推動科技進步的關鍵工具。隨著未來航天發射任務的多樣化和複雜性不斷增加,運載火箭的效能和可靠性變得尤為重要。為確保任務的順利完成,運載火箭在設計、製造、測試等各個環節都必須達到更加嚴苛的標準,以應對未來更高頻次、更高難度的發射挑戰,保障任務安全與成功。
火箭控制系統是運載火箭維持姿態穩定的核心部件,控制系統的高可靠性是火箭成功發射的重要保障。近十年來火箭發射的失敗案例中,控制系統故障原因位居第二。由此可見,無論是地面測試階段對火箭單機裝置的分系統測試,還是飛行階段的成功執行,控制系統的故障診斷與健康管理都顯得尤為重要。可以說,故障診斷和容錯重構能力是衡量運載火箭設計水平的重要標誌,該技術的使用可以將飛行任務從失敗的邊緣挽救回來。
針對運載火箭的故障診斷技術可大致分為:1.故障樹分析法;2.專家系統診斷法;3.神經網路診斷法;4.資料驅動和模型驅動診斷法。
NASA等機構使用3種故障診斷工具:基於模型的故障診斷、基於規則的專家系統、基於資料驅動的故障診斷,聯合研製了Ares I-X地面故障診斷原型樣機專案,用於射前診斷固體發動機故障。
歐空局研發的SMART-FDIR(Fault Detection, Isolation and Recovery)系統利用人工智慧技術開發了實時機載衛星故障診斷系統,使用模糊歸納推理完成故障檢測工作。
日本新型固體火箭Epsilon使用了自主檢測診斷系統,順利達成快速響應發射目標,有效縮短髮射準備時間。
2009年,北航陳璐璐等人為適應新一代運載火箭地面測發控系統一體化設計要求,將分散式故障診斷專家系統應用到火箭的發射決策中,提出了分系統和全域性系統診斷級的“三表制”知識表達方法。
2011年,電子科技大學尹茂君提出基於神經網路、測發資料鏈路和案例推理的複合故障診斷,達到了實時故障監測和離線事後評估的雙重效果。
2020年,北航陶飛教授提出數字孿生作為物理資訊融合的關鍵技術,透過構建虛擬數字化模型,描述物理裝置的執行狀態,實現對物理物件的狀態監測、實時對映、壽命預測、故障診斷等應用。
綜上可見,隨著當今人工智慧、物聯網、資訊融合技術的快速發展,傳統故障診斷技術開始與神經網路、虛擬現實技術相結合。提高運載火箭控制系統的故障診斷效率,滿足高密度、高可靠性的任務需求,是當下火箭控制系統設計的關注重點。雖然可以透過大量的地面試驗來不斷提升技術的成熟度,但是運載火箭測試發射資料少、同型火箭試驗次數少、故障資料樣本小的控制系統故障診斷難題,仍是一個亟待解決的問題。
數字孿生概念的出現為解決上述問題提供了新的思路。數字孿生(Digital Twin),也被稱作數字樣機技術,是當前被廣泛認可的一種在資訊世界刻畫物理世界、模擬物理世界、最佳化物理世界、視覺化物理世界的重要技術。數字孿生透過虛實互動反饋、資料融合分析、決策迭代最佳化等手段,為物理實體增加或擴充套件新的能力。
隨著新一代資訊科技和人工智慧技術的快速發展,數字孿生技術得到了工業界和學術界廣泛關注和研究,已在設計、生產、測試、故障檢測等多個環節得到應用,也湧現出了一批國產自主可控的服務於數字孿生的模擬工具。
天目全數字實時模擬軟體SkyEye,是一款由迪捷軟體自主研發的基於視覺化建模的硬體行為級模擬平臺,支援使用者透過拖拽的方式對硬體進行行為級別的模擬和建模,搭建運載火箭模擬驗證系統。
以某型號火箭為例,基於SkyEye的火箭模擬驗證系統可模擬該火箭正常飛航模式下和故障飛航模式下的推演功能模擬。整套系統由根據火箭地面系統和箭上單機組成,可按功能劃分為:地面測發控成員、控制組合成員、動力系統成員、慣性器件成員、彈道模擬成員、伺服機構成員。
除了上述功能外,基於SkyEye的火箭模擬驗證系統還可模擬火箭箭上裝置工作原理、地面裝置工作原理及訊號傳輸電路路徑,根據故障現象快速復現、定位故障;各成員間基於通訊框架進行通訊,透過負責資料接收、傳輸、傳送的通訊框架公佈自身資料並獲取其他成員的資料。