适应低温火箭发射的长征五号系列运载火箭测发控架构

王雨萌，孙兆牛，连 盟，田建宇，陈振华

（1. 北京航天自动控制研究所，北京，100854；2. 文昌航天发射场指控中心，文昌，571300）

0 引 言

长征五号运载火箭芯级使用液氢液氧低温燃料发动机，具有“无毒、无污染、比冲高”等优点，但低温推进剂存在加注后停留时间短、发射流程不可逆、液氢加注后安全风险高等问题，这就要求火箭有更高的发射可靠性。作为中国目前运载能力最大的一款火箭，采用垂直组装、垂直测试、垂直转运的“三垂”全新测发模式，射前-10 h开始液氧加注，-6 h开始液氢燃料加注，为保障人员安全，液氢加注开始测试发射控制系统（以下简称“测发控系统”）前端技术人员撤离至后端，测发控系统进入前端无人值守工作模式。相较于中国传统运载型号，长征五号测发控系统射前前端撤离时间最早，设备加电时间最长。测发控系统从火箭低温燃料加注到点火起飞，经受最严苛的振动力学、热环境、盐雾环境考验，所以对其可靠性、安全性都有更高的要求：必须具备有效的远程控制监测能力，远程故障处理、隔离能力和系统重构能力，才能解决-6 h前端无人值守难题，适应大型低温液体火箭快速、准时地发射[1]。

1 大型火箭测发控系统

测试发射控制系统是对控制系统性能及整体配合性及协调性进行综合测试，对发射条件检查和准备，对火箭按命令进行点火发射的系统。

1.1 国外先进运载火箭测发控系统构架

宇宙神5系列火箭和阿里安5系列火箭采用“三垂”的测发模式，德尔塔Ⅳ火箭采用“两平一垂”测发模式（水平组装、水平测试、垂直转运），SpaceX公司研制的猎鹰9火箭采用“三平”测发模式（水平组装、水平测试、水平转运）。最早射前-4.5 h加注液氢液氧，开始前端无人值守工作模式。这4款火箭测发控系统均设计了自动化试验与监控软件系统，地面设备以工业计算机和工作站为主，操作人员通过PC机向火箭与发控台发送指令，射前采用全自动同步程序技术，执行火箭发射前全自动测试流程和最后操作[2,3]。

1.2 长征五号系列运载火箭测发控系统架构

长征五号系列运载火箭采用“三垂”测发模式，测发控系统采用前端加电、执行设备+以太网+后端控制、实时监控的远程发射架构。-6 h开始前端无人值守工作模式，-3 h进入射前自动测试流程，整个发射流程由后端主控计算机的测试软件控制，向火箭与后端发控台发送控制指令，实行全自动测试流程；后端可实时监测各种数据和状态，判断箭体和前端设备的工作情况。

通过与国外部分主流大型运载火箭“三垂”测发模式，以及远程控制、全自动测试等测发控系统架构的对比，长征五号系列运载火箭测发控系统已达到国际一流技术水平。

2 长征五号系列火箭高可靠测发控系统

2.1 系统组成

长征五号系列运载火箭测发控系统包括：前端测发控设备、后端测发控设备以及测发控软件，见图1，前端设备接收箭上的状态反馈及总线数据，发送至后端实时显示，测发软件执行手动及自动测试流程。与传统运载火箭相比，在活动发射平台底部设置了前端设备间，空间狭小，前端设备放置其中，要求测发控系统有更高的集成化设计。

图1 长征五号系列运载火箭测发控系统组成Fig.1 The Composition Block Diagram of Test Launch Control System in LM-5

2.2 系统关键技术

2.2.1 远程控制、状态监测技术

远程控制技术、远程状态监测技术主要用于解决长征五号火箭-6 h前端无人值守难题，由后端通过以太网对前端设备和火箭状态进行控制和监测。实现远程控制的关键是PLC发控系统，采用高容错变结构热备冗余设计，由后端控制台中热备冗余的主、备PLC CPU站（运行控制逻辑运算）和前后端各两套并联工作的PLC I/O站（接收按钮或自动发控指令，输出逻辑运算结果，接收状态信号）组成，如图2所示，主控计算机甲机工作，乙机为备机，虚拟显示计算机并联工作；PLC发控系统通信协议如图3所示；系统输入、反馈信号流程图见图4。

图2 PLC发控系统组成结构Fig.2 The Composition Block Diagram of PLC Launch and Control System

图3 热备冗余PLC发控系统通信协议Fig.3 Hot-standby Redundancy Communication Protocol Diagram of PLC Launch and Control System

图4 PLC发控系统输入反馈信号流程Fig.4 Input Signal and Feedback Signal of the Flow Chart that PLC Launch and Control System

热备冗余PLC发控系统采用手动控制与自动控制并联的方式实现控制通道的冗余，保障控制指令可靠发出，如图5所示。系统测试控制时主要使用自动流程控制，在点火等关键操作上使用手动控制[4～6]。

图5 PLC发控程序设计示意Fig.5 Schematic Diagram of the PLC Launch and Control System Design

后端发控台、虚拟显示计算机等实时监测前端设备以及箭上状态反馈、总线信号等重要信息，并采用大数据实现的海量数据自动判读技术，自动滤除偶发干扰信号，通过后端检测计算机软件对箭地模拟量进行实时判读，超差报错，提高了测试过程中对系统实时监测的工作效率，为故障诊断和处理争取时间，向智慧型火箭的系统自动故障诊断作出了第1步推进。

在以太网故障，测发控系统前后端通信断开时，可通过前后端应急设备完成箭机开算、点火等重要信号的发送。应急设备还为测量系统、动力测控系统、发射支持系统提供了前后端重要信号的应急通路。

远程控制还包括地面电源远程调压技术，远程中断前端设备供电、设备切换技术，中频电源远程复位技术。能够完全适应长征五号系列运载火箭发射任务-6 h前端无人值守的严苛工作状态。

2.2.2 高可靠多余度测发控技术

由于长征五号系列运载火箭用于执行国家重大发射任务，因此对全箭包括测发控系统的可靠性设计要求极高。测发控系统具有操作系统的设备采用BIT技术（内部检测并隔离故障的能力），具备上电自检的功能，保证设备工作正常，方可参加系统测试及火箭发射任务。

为消除影响成败的单点故障，测发控系统进行了包括元器件级、模件级、单机级冗余设计，大幅度提高系统的可靠性。测发控系统可靠性框图如图6所示。

图6 测发控系统可靠性框图Fig.6 Reliability Block Diagram of Test Launch Control System

可靠性计算公式如下：

式中λs为产品总的失效率；λi为单个元件的失效率；t为任务时间；R为任务可靠度，推导出各单机任务可靠度。计算系统总失效率sλ：将测发控系统各单机的产品失效率λi代入上述公式，可推导出系统的任务可靠度预计值R=0.9965，高于中国传统火箭（中国各火箭测发控系统任务可靠度要求值见表1）。

表1 中国各火箭测发控系统任务可靠度要求值Tab.1 Reliability Requirements of Test Launch Control System in Various Domestic Launch Vehicle

测发控系统设备发生故障时的系统重构按不同的冗余设计模式分为以下几种。

a）元器件故障处理。

点火、紧急关机等重要信号通路和应急控制通路均采用三取二冗余设计（见图7），任一元器件出现故障（图7中假设K1故障），都不影响发射流程的继续，最大程度地保证了关键信号在地面设备异常状态下正常输出的能力。

图7 三取二冗余设计Fig.7 Two Out of Three Redundancy Design of Important Signal Path

b）模块故障重构。

PLC发控系统属模块级冗余设计：两套热备冗余的PLC CPU站中，主CPU默认为激活状态，备CPU与激活状态CPU实时数据同步，备CPU可在主CPU故障时实现无缝切换。前后端PLC I/O组合任一发生故障，后端发控台可远程断前后端一套故障PLC I/O组合电源（前后端两套任意组合），对其作出故障隔离处理，完成系统重构，如图8所示，仅使用前后端一套PLC I/O组合进行后续测试。

图8 PLC发控系统故障后系统重构Fig.8 System Reconfiguration after PLC Launch and Control System Broke Down

c）单机故障重构。

单机冗余设计分为双机并联冗余和主副机热备冗余，在其中1台发生故障时，可采用后端远程控制前后端设备主副机无缝切换、隔离故障设备、系统重构的故障处理方式使测试流程继续。测发控系统典型单机冗余设计箭地计算机故障重构见图9，地面电源和测试系统故障重构见图10。

图9 箭地计算机故障后重构流程Fig.9 Flow Chart of Reconfiguration after the Ground Test Computer Broke Down

图10 测试系统、地面电源故障重构流程Fig.10 Flow of Reconfiguration in Test System and Ground Power Broke Down

长征五号系列运载火箭在某次发射场测试任务中发生前端地面直流电源故障，主副机切换事件。切换过程中及切换后，测发控系统和箭上控制系统状态及各项参数正常，电源切换过程中电压曲线如图11所示。电源副机电压较主机低1 V，电源主副机切换前后输出电压下降1 V，但总体平稳，没有突然升高或降低，保持在单机设备工作电压范围之内。

图11 地面电源切换时的电压波形Fig.11 Voltage Waveform when Switching of Ground Power

因此得出结论：在地面直流电源主机发生故障时，备机可无缝切换并保持设备及系统的稳定。本次故障处理以实践验证了长征五号火箭高可靠多余度测发控系统的故障设备隔离、系统重构技术的有效性。

在真实发射时，测发控系统在发射场均配备了元器件、模块及整机备件，并做了详细的故障预案：在设备故障，能够进行更换处理的时机，可由操作人员在现场对故障件进行更换。

3 结束语

长征五号系列运载火箭测发控系统设备以高可靠、强适应能力的特点，一套地面设备能够兼顾探月三期、火星探测、载人空间站的测试发控需求，即适应长征五号基本型及B型火箭承担的多种任务需求，并已经过多次国家重大发射任务实战验证，具有较强的创新性、实用性和通用性，显著提高了工作效率和经济效益，达到了国内外先进水平，且部分单机与其他运载型号实现了通用化设计。

其搭建的智能化平台对于其它运载火箭测发控系统的更新改造等普遍适用，具有重大意义：采取大数据技术创建集成一体化智慧火箭平台，实现测发控系统全部测试数据、设备状态在线分析判读，实现测发控系统智能故障诊断，故障自动处理及系统重构。