運載火箭快速測試發射關鍵技術及思考

羅大雷，包晨明，肖順吾，王 康

（太原衛星發射中心，太原，030045）

0 引言

航天技術的發展促使航天產品越來越多地應用于人們的生活，改變戰爭形態、探索未知領域。近年來，美國、俄羅斯、歐洲等在運載火箭測試發射技術方面持續推動快速化，美國正在發展的快速測試技術使運載火箭測試時間壓縮到24 h以內，代表了世界先進水平，中國也在持續推動運載火箭測試發射快速化［1］。

面對高密度、常態化的航天發射任務，需要對航天發射場重點工作及運載火箭測試發射工作快速化進行研究。如采用先進總線、機內測試、儀器可互換、箭地一體化設計、故障診斷、并行測試、遠程測試支持、閉環動態測試、測試數據自動判讀、智能控制與決策等技術，并對航天發射場運載火箭測試發射技術、狀態、組織工作進行思考。

1 快速測試發射技術

1.1 先進總線技術

20 世紀90 年代以來，國際上運載火箭電氣系統測試采用的總線技術主要有：GPIB、1553B、VXI、PCI、PXI和LXI六種測試系統，中國現在主要使用前五種，后一種也即將用于新一代運載火箭電氣系統。PXI總線能加快測試速度和降低測試成本［2］，LXI總線不僅可以提供機架和堆疊式儀器的嵌入式測量方案及PC標準的I/O連接能力，還可以實現設備高集成度的插卡式模塊化設計，對運載火箭電氣系統各單機設備進行基于Web的分布式測試，有助于電氣系統自動化測試，減少人為錯誤，利于總線竊聽技術對箭上設備輸入和輸出信號連續采樣和監測，加快測試進度［3］。

1.2 機內測試技術

現有運載火箭電氣系統經常使用總線制，而“箭載計算機控制各類控制器”的分布式總線電氣系統性能更加優越，使機內測試技術成為可能。機內測試采用箭測模式，將慣性組合、電子程配、伺服機構等單機自檢信息匯總到總線上，傳輸到地面測試發射控制系統（以下簡稱測發控系統），結合分布式總線電氣系統，對單機芯片實施測試［4］。運載火箭測發控系統也將采用機內測試［5］，機內測試技術能夠減少人的測試操作，減少由于不熟練等原因誘發的故障，促進運載火箭電氣系統的故障自動判別，縮短排故時間。

1.3 儀器可互換技術

運載火箭電氣系統及基本測試的儀器設備都采用冗余來保證成功率，儀器可互換技術最大程度提煉儀器的共同部分，用軟件實現儀器互換，滿足用戶需求。其中的基于信號驅動和實時引擎技術最為關鍵［6］。信號驅動用基于信號的功能函數，而不是基于儀器的函數，調用底層的基于儀器類型的函數完成儀器動作，信號驅動完成同類儀器中95%以上的儀器設備所共有的能力和屬性［7］。實時引擎根據用戶意圖、開關或流程完成狀態轉變、消息處理及選擇儀器類型。盡可能多地采用儀器可互換技術后，航天發射場測試發射工作將大幅度減少加注、發射預案討論、編寫、演練的時間。

1.4 箭地一體化設計技術

運載火箭電氣系統設計時需綜合考慮運載火箭電氣系統與測發控系統設備的數字量、模擬量、開關量，科學規劃測試流程，減少箭地接口及通信協議，實現箭地數據的集中處理、存儲、顯示以及箭地供配電、網絡傳輸、信息采集的統一。箭地一體化設計采用系統內部的地面激勵—箭上反饋—地面采集方式，提高測試效率，減少航天發射場箭地測試人員數量與工作量，加快測試發射進度，有利于測試自動化發展［1，8］。

1.5 故障診斷技術

運載火箭故障診斷技術主要有：利用噪聲或者干擾信號的故障診斷；利用專家知識和人腦分析的專家系統［9］；對數據、狀態估計等多種途徑產生殘差，再通過標準值或其他限定條件對該殘差分析的數學模型方法［10］；適用于航天發射場箭上新操作手的案例推理方法［11］；受限于樣本的部件互聯、非線性、容錯和聯想的神經網絡診斷；高效率低成本的對故障準確定位的分布式多傳感器技術；基于電氣系統特定測試發射流程的故障診斷；根據電氣系統原理，設備組成、分布、聯系，邏輯關系和試驗數據，故障現象，建立的故障樹分析方法［12］。運載火箭故障診斷技術的提高有助于排除測試故障，加快測試發射進度。

1.6 并行測試技術

并行測試是同一時間段內對不同的設備或相同設備的不同項目進行測試，增加單位時間里被測設備或項目的數量，提高測試儀器利用率，縮短測試周期。運載火箭控制系統箭上和地面的主控軟件使用信息流控制不同的分布式執行終端，并行測試電氣系統儀器設備。通過火箭電氣系統箭上和地面的接口開關轉換，將電氣系統不同被測設備接入，根據任務流程交錯的測試，自動調度電氣系統不同設備并行測試，而且可以對設備內部的多項參數并行測試。并行測試涉及到測試流程優化、任務分解、測試儀器分配和軟件多線程設計，需要在任務前期就對測試流程和測試點進行規劃［1，13］。

1.7 遠程測試及支持技術

運載火箭遠程測試可以使不同單位的航天專家在多地對處于不同總裝廠房、航天發射場的運載火箭進行測試，提高效率，減少測試時間。遠程測試可以將測試的指令和控制區放在發射場，由專家遠程監視判讀，也可以將測試指令、控制、監視、判讀信息都傳遞給專家，發射場現場進行線纜連接和硬件操作［14］。遠程測試需要可視化交互技術；測試、視頻、音頻數據同步傳輸流量管理技術；控制系統的箭機、慣組、伺服機構，電池等多種異構數據的集中采集、存儲、傳輸技術；發動機電磁閥、電爆管的實景鏡像的數據驅動技術支持［15］。

1.8 閉環動態測試技術

目前運載火箭控制系統普遍采用攝動制導，地面測試時模擬飛行程序角無論如何變化，都不會對慣性組合產生反饋信號，對不同狀態或干擾情況需單獨模擬飛行。迭代制導根據目標軌道和當前位置、速度，實時調整運載火箭的入軌點、飛行程序角。運載火箭采用迭代制導模擬飛行測試時，箭上計算機不僅像攝動制導一樣需要采集慣性器件的導航信息控制伺服機構、發動機擺向，還需要采集執行命令后的伺服機構、發動機擺向信息反饋給慣性器件和箭機，作為下一個狀態的起始信息。迭代制導可以一次模擬飛行測試的多種狀態及干擾，減少測試次數［16］。

1.9 自動判讀技術

電氣系統一次狀態變化作為一個事件，相關數據與之綁定，專家將各種測試情況整理成測試軟件，借助計算機將測試中每個事件產生的數據與事件預先綁定的數據比對，異常則報警，并生成工作日志及測試結果［17］。隨著機內測試技術的發展，控制系統箭機可以監聽總線上的所有單機進行自動判讀，測發控系統使用遙測系統數據自動判讀，兩組不同的判讀技術可以相互輔助驗證。測試數據自動判讀技術可以提高效率，減少發射場工作人員任務量，縮短測試周期［18］。

1.10 智能控制與決策技術

運載火箭控制系統箭機通過總線收集單機自測試信息并自動判讀，將有效減少測試人員工作量，提高測試速度。智能控制通過可見光、紅外、激光等方式的機器視覺進行不同環境下的數據采集；利用已有的數學規律處理日益復雜的設備、系統產生的模擬量、數字量、開關量數據；分系統、總檢查測試遠程對運載火箭進行故障診斷、定位；發射、飛行時的自動安全控制；電氣系統可靠性、風險分析；專家意見集成、建模，形成決策支持［19-21］。

1.11 其它

加強運載火箭及測發控系統健康管理技術研究，提高其自測能力，減少人為測試項目和故障排除時間。加強航天發射場“兵棋推演”技術研究，提高不同運載火箭測試發射效率，提高年發射能力。

2 航天發射場快速測試發射的思考

對航天發射場運載火箭測發控系統專業崗位人才能力要求進行分析，如圖1所示。測發控系統的技術決定運載火箭的測試發射狀態，測試發射狀態包括靜態的各產品選擇、連接等，也包括動態的測試信息流程、數據變化等，分為發射試驗、日常訓練、維護保養等。測試發射狀態決定專業技術人才隊伍建設、活動組織等。優秀的人員組織有助于狀態協調更加高效，同時也將促進運載火箭測發控系統的技術、狀態的更新發展，促進崗位成才，確保試驗任務向更高水平發展。

圖1 航天發射場人才能力分析Fig.1 Analysis of test and launch capability for space launch site

下面主要對狀態和組織兩個方面對運載火箭快速測試發射影響進行說明。

減少航天發射場人員手動對火工品插頭連接及回路阻值測試。設計箭上控制器和繼電器組合的設備進行火箭回路阻值自檢測測試，減少發射場工作人員使用外接設備測試，減少箭上地面狀態變化和恢復工作?？蓪⒓夹g區2 天和發射區1 天的工作壓縮到發射區10分鐘的工作量。

使用高性能電池代替現有的地面電源來減少脫插、脫拔、模擬電纜數量及狀態變化。減少有關地面供電的電纜，保證測試覆蓋性條件下使箭地接口電纜數量減少到個位數，進一步減少狀態轉換帶來的狀態確認，狀態恢復工作將減少發射場十分之一以上的工作量，并與真實飛行狀態更加一致。

分系統測試狀態結合箭上機內測試功能，合并測試項目，考核檢查二狀態和檢查三狀態中檢查一狀態考核不到的功能，減少狀態轉換。

總檢查測試狀態采用閉環策略，重復性電池使用，只進行檢查一狀態測試，對攝動制導和迭代制導在模飛時采用數據替換方式的現有方法改正，測試閉環控制，減少模飛次數。閉環測試可以施加干擾，考察高空風等因素［22］。雖然減少總檢查次數，但考核飛行狀態會更真實。測發控系統采用健康管理狀態后，進一步提高運載火箭測試設備智能化水平，降低對操作人員的要求和故障排查能力的需要，減少時間精力的耗費。

探索一種以航天發射場人員為主，扁平化、實時指揮、高效決策的組織模式。發射場人員訓練應保持與真實測試發射狀態一致，加大科技人才培養。將運載火箭和測發控系統裝備到發射場，將測試工作做在平時，定時復測，日常保養維護。加強航天發射場對運載火箭及其測發控系統檢測、鑒定、維修等能力的建設。

為實現運載火箭測試發射快速化，需做好航天發射場人才培養組織工作。航天發射場人才評價工作劃分尖、高、中、初四種層次，分層次評價。堅持九位一體的人才評價體系，以論文、項目、專利、著作、軟件著作權、標準、競賽、教材、職業教育課程九個方面進行人才的評價工作。督促提高專業技術人才發現問題、分析問題、解決問題的能力。以是否有利于航天發射場全面發展建設，是否有利于人才培養，是否有利于航天發射場核心能力提高為標準進行評價，激勵人才主動作為。

針對快速測試發射需求，做好組織評價工作。管理任何一個組織，要想健康快速地發展都需要健全高效的組織架構、管理體系，提升活力，營造積極向上、團結協作的氛圍。

航天發射場在串行任務逐漸飽和的情況下，繼續提高年發射能力要考慮不同運載火箭并行測試，現有技術、狀態條件也將逐步支持并行測試。在組織層面要考慮組織扁平化，人員、設備、后勤在一定時期內在不同組織流動的及時性。

3 結束語

中國航天發射活動已經進入高密度狀態，同一個航天發射場在同一時間段會有多發運載火箭任務并行，而且未來會更加頻繁。航天發射場負責對火箭各系統進行測試、電池充電、方位瞄準、諸元裝訂并實施發射。測試發射工作是航天發射場的中心工作，是航天活動的基礎工作，工作重要且任務繁重。研究運載火箭快速測試發射技術、狀態和組織，有助于航天發射場中心工作的開展，有助于滿足中國日益繁重的航天活動需求。