航班化航天运输系统中的控制问题

包为民，祁振强

(1. 中国航天科技集团有限公司，北京 100048；2. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引 言

太空领域是21世纪世界大国竞争的重要疆域,世界航天已进入以大规模互联网星座建设、空间资源开发、载人月球探测、大规模深空探测为代表的新阶段,全球航天发展的新浪潮澎湃而至。美国太空发射系统(SLS)为重返月球已完成首次飞行,维珍银河、蓝色起源、SpaceX等公司开启了人类太空旅游的先河。人类对太空的依赖与日俱增,进入空间的需求正在快速增长,高效率、高可靠、高安全成为未来航天运输系统的重要标志,发展航班化的航天运输系统也成为进出空间的重要途径和主要方向[1]。

航天运输系统作为一个国家开展航天活动的支撑和基础,是其综合国力的重要标志[2]。经过60余年的不懈努力,中国运载火箭走过了从无到有、从有到全的发展历程,形成了较为完备的产品系列,为中国载人航天、月球探测、火星探测等重大工程的顺利实施奠定了坚实基础。近年来,以CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-8等为代表的第三代运载火箭成为航天任务主力担当,以新一代载人火箭、重型运载火箭为代表的第四代运载火箭正在研制当中,实现重复使用将进一步提高中国进入空间的能力。

瞄准全面建成航天强国,中国将进行载人月球探测、月球科考基地建设、火星采样返回等重大工程,让中国人探索太空的脚步迈得更稳更远。这对航天运输系统的品质属性和载荷能力提出了更高要求,像飞机一样实现航班化运营,是革命性提升航天运输系统能力的重要途径[1,2]。站在新的历史节点上,面向多样化发展需求,中国应拓展发展理念,大力研发航班化的航天运输系统,迎接航天运输新时代。

本文将从航班化航天运输系统面临的挑战、所需的智能及信息技术支撑等方面展开探讨,提出当前面临、亟需解决的问题,为广大科技工作者提供研究参考,助力实现中国航天运输系统“从全到强”的历史跨越,为满足未来大规模探索与开发太空、人民对未来美好生活向往以及延拓人类生存与发展等的需求,贡献中国航天智慧。

1 航班化航天运输系统面临的挑战

1.1 系统组成及发展路线

航班化航天运输系统主要由1小时全球抵达运输、天地往返运输、空间转移运输等3类系统组成,具有重复使用、智能化、模块化、标准化、产业规模化等技术特征[1],如表1。

表1 航班化航天运输系统组成Table 1 Components of the airline-flight-mode aerospace transportation system

发展路线可划分为3个阶段:1)近期目标(起步建设),包括完成关键技术实现突破、基础研究获得进展、开展技术验证飞行试验等;2)中期目标(初步建成),包括重复使用次数达到50～100次、单位载荷发射成本降低50%以上、周转时间不大于1周、实现初步航班化运营等;3)远期目标(全面建成),包括重复使用次数100次以上、单位载荷发射成本降低1到2个量级、周转时间12 h、实现全面航班化运营等。

1.2 面临的考验与挑战

随着未来航天任务的任务高密集,使得航班化航天运输飞行面临新挑战。异构多型的在轨飞行器、在轨巨型星座等形成的密布动态空间运营环境,空间碎片、残骸等形成的不确定性环境,频繁高速跨域飞行中严苛的力、热环境,全球抵达运输的大气环境与全球发射场/着陆场环境,以及深空探测中的极端飞行环境等都将成为航班化航天运输面临的新环境。与之对应的任务特点也将新质呈现为,不同起降的飞行方式(垂直起降、垂直起飞水平降落、水平起降等),在轨巨型星座、空间碎片等动态环境约束的飞行管道设计,多飞行器间的太空轨道交通管理,满足空间组装、加油、中转任务的航天器互相协作等。

上述环境变化与任务特点对航班化航天运输,尤其是飞行器控制系统提出了新的考验,主要体现在:

1)在轨巨型星座、空间碎片等共存形成的密布动态空间导致飞行管道越来越窄。以500 km轨道高度为例,在未来分布10万个巨型星座卫星、2万个空间碎片和航天器残骸的情况下,航班化航天运输飞行器的飞行管道仅约80 km左右;

2)许用运行管道呈现为动态变化。空间飞行器、空间碎片的飞行马赫数均在25以上,运行轨道呈立体分布,轨道面多样、飞行方向多样,全球可能还有成百上千的航班化飞行器在空天域同时飞行;

3)飞行环境是强不确定的。航班化航天运输除了上升段外,还涉及再入返回、着陆、再次发射等过程,飞行剖面既有程序指令单安排的运输任务,还有应急调度安排的重规划飞行以及适应任务降级的备降/迫降任务等,频繁跨域飞行中的环境不确定性强。

这些考验使得航班化航天运输的飞行控制单靠人来管理已不现实,已成为典型的无人自主控制系统,对航天控制提出了新的挑战:

1)如何在狭窄、动态的飞行管道下精准控制,实现航班化航天运输的安全飞行?

2)如何快速规划飞行任务走廊,实现航班化航天运输飞行器的跨域、灵活天地穿梭?

3)如何构建航班化空间运营体系,实现航班化航天运输飞行器的协同与控制?

2 航班化航天控制需要智能赋能、信息驱动

从航班化航天运输飞行的角度来看,存在飞行管道更狭窄、全球覆盖飞行下环境不确定性更强、航班化运输飞行器、空间碎片及残骸等数量构型众多、空天域信息种类和数量更多、信息异构更复杂、信息动态变化更快(易缺失信息)、信息跨域传输更远等问题[3-4]。应对这些,在不确定环境与异常情况的感知与认知、飞行器的自主决策与精准控制、多飞行器的协同合作等方面需要发展智能技术以融合支撑[5～7];在海量异构信息的产生/传输/处理、准确高效利用信息以及实现航班化运输体系运营管理等需要发展信息技术以有效应对。

2.1 智能赋能航班化航天运输

航班化航天运输的智能赋能将依托智能算法、算力、数据、知识,实现环境与本体的有效感知与准确认知、管道与轨迹的规划决策与精准控制、多飞行器间的协同合作与冲突消解,实现航班化航天运输飞行器狭窄管道内的安全飞行与灵活穿梭。具体表现为:

1)有效感知、准确认知:包括智能感知飞行环境,智能预测空间碎片、残骸等的运行轨迹,智能监测自身状态、诊断异常故障等;

2)规划决策、精准控制:包括自主决策飞行管道、规划飞行轨迹,自主重构故障,自主应对不确定突发状况等;

3)协同合作、冲突消解:包括太空摆渡、自主加注、中转与组装,多飞行器间协同飞行,动态障碍的自主规避等。

航班化航天运输重复使用次数多、周转周期短、飞行距离远(部分飞行器长期在轨),还需通过训练、学习、演进,使飞行器具备边飞边学与终身学习能力,实现个体强适应、任务快响应、飞行自学习、一次设计延伸全生命周期、可重复使用以及控制系统能力的迭代优化等,弥补程序化控制带来的局限性,持续提升航班化航天运输的可靠性与自主性。

2.2 信息驱动航班化航天运输

控制始于对控制目标和环境态势的信息反馈,信息的传递是为了更好地实现控制意图[8]。航班化航天运输中的信息主要包括:确定性信息(包括空管运营信息、在轨巨型星座信息、协作飞行器信息等)和不确定性信息(包括跨域复杂力热环境信息、空间碎片信息、本体诊断信息、突发事件信息等)。综合信息高效应用,是支撑飞行器应对航班化航天运输中复杂环境、任务、突发状况,实现控制意图的基础。

适应航班化航天运输控制,主要通过拓宽获取的维度与来源,依赖太空轨道管理信息、航班化运营管理信息等实现对信息的可靠获取;通过信息的压缩与解密,信息的低延时、强抗扰,以及信息的传输协议与标准体系等实现对信息的可信传输;通过本体、环境、任务、运营管理等的多源信息处理能力,信息与资源统一调度管理等实现对信息的敏捷处理。

在以上信息处理的基础上,将智能赋能下的航天控制与信息更深度的融合,实现信息驱动下的航班化航天运输控制,主要体现在:

1)第一层次:制导与姿控环——利用自身的控制信息,实现在动态、狭窄管道中的精准控制;

2)第二层次:指挥管理环——利用感知的环境态势信息与飞行器本体信息,实现对航班化运输飞行器的飞行状态管理;

3)第三层次:空间体系运营环——利用空间飞行器、碎片等的监控信息,实现对整个空间的体系化管理。

最终形成航班化航天运输系统的信息综合与控制系统。

2.3 航班化航天运输系统的信息综合与控制系统

航班化航天运输控制的内涵由传统面向飞行器的“姿控-制导”的两重回路,延展为适应复杂异构多体协同的“姿控-制导-指挥管理-空间体系运营”四重回路。如图1所示。

由图1可以看出,各回路是逐重包含的;信息流在各回路中、回路间高效传动;内重回路是外重回路实现的前提和基础。

图1 航班化航天运输系统的信息综合与控制系统结构Fig.1 Information synthesis and control system structure of the airline-flight-mode aerospace transportation system

1)第一层次:姿控回路+制导回路。①通过跨域高动态智能制导与制导、复合控制策略和再入控制、高动态环境下的高精度导航实现强适应制导与控制;②通过制导控制参数自优化、策略自学习等,持续改善飞行品质,实现飞行中的自学习;③基于对历史信息和知识的学习,飞行器模型(包括动力、气动、结构等)认识越来越准,飞行性能越来越好,支持长期运营服务,更加可靠、舒适、经济,实现全生命周期终身学习。

2)第二层次:指挥管理回路。①通过对空间碎片、残骸的在线感知与威胁评估,环境与本体参数的在线辨识、自身故障的自检测等实现自感知、自诊断;②基于密布动态空间信息,实现上升段、再入段的狭窄管道规划与设计;③通过飞行能力在线评估,飞行任务、飞行管道在线决策,在天-地联动下完成应急故障的指挥与控制。

3)第三层次:空间体系运营回路。①通过星箭组网、互联互通,实现对航班化运输飞行器、在轨航天器、空间碎片的动态监视;②通过信息互享、太空多飞行器轨道管理,智慧地表/太空联合管理等,实现国际太空合作与运营管理;③构建太空云港,箭群/星群共享停、修、补、传服务,形成航班化运输新生态。

目前,第一层次已闭合。计划在“十四五”期间,闭合指挥控制回路(第二层次),并探索空间体系运营回路(第三层次)的相关技术与产品。在本世纪中叶,完成空间体系运营回路的闭合,辅以智能赋能,实现航班化航天运输系统的高效、稳定运营。

3 航班化航天运输控制系统需解决的若干问题

发展智能赋能和信息融合的航班化航天运输系统,布局开展研制攻关和技术突破,需要解决若干问题。

1)构建航班化航天运输运营管理体系

基于制导与控制、指挥管理、空间体系运营3个层次,构建运营管理体系,对航班化航天运输系统进行“顶层”管理,为航班化航天运输提供体系化保证,使航班化航天运输系统具备典型能力要素:

a.融合性:运用异构信息、联合异构对象,实现跨域协作与智能决策;

b.协调性:多飞行器动态指挥与控制;

c.灵活性:动态、狭窄空间内灵活穿梭;

d.安全性:故障即时处理、应急避障与智能重构。

2)研发适应航班化航天运输运营管理体系的控制系统架构

在航班化航天运输运营管理体系下,建立包含多层级信息快速获取与处理、计算资源调配与软件定义的控制系统架构,实现对信息的随取随用、对资源的灵活迁移、对功能的自由组合,满足航班化航天运输飞行运营管理与自主控制的需求;实现天地信息一体化设计,构建太空信息、星/箭信息、地面信息的全信息处理体制等。

3)夯实智能赋能、信息驱动下的航班化航天运输控制理论研究

包括密布动态空间下安全运筹规划机理(信息空间描述、博弈与运筹规划)、多源异构空间信息智能感知与融合理论(本体状态与故障感知、在线决策与重构)、面向重复使用的智能控制理论(高精度着陆控制、健康评估理论)、面向故障的航天控制设计理论(行为和结果的支撑论据、冗余与可靠)、边飞边学与终身学习的智能控制理论(高效表达、增量学习)等。

4)探索深化航天信息与控制技术融合发展

一是以信息技术促进航天控制系统的体系化与智能化,保证体系中各平台、载荷、链路等要素之间互相配合与协调,并将全域信息系统时刻与控制系统进行信息交换,保障控制系统实时高效运行;二是通过航天控制为信息技术提供应用平台(包括航班化运输、地月经济区等各类复杂航天任务),并以重大科技工程为需求牵引信息技术发展。

4 结 论

世界航天即将迎来大规模进出空间的“航班化航天运输时代”,站在新的历史节点上,面对新的需求、机遇和挑战,我们要把握机遇、迎接挑战,立足中国战略发展需求,发展航班化航天运输系统,夯实基础、坚持创新驱动发展,探索新技术新方法,科学规划产品体系,“智能赋能、信息驱动”,谋篇长远,构建体系;实现中国航天运输系统的跨越式发展,走出中国特色的航班化航天运输系统发展路线,建成世界一流水平的航班化航天运输系统!