航天發展面臨的控制問題與挑戰

遼東信息港 劉 欣2019-12-05 09:02:27
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航天發展面臨的控制問題與挑戰  
 

航天發展面臨的控制問題與挑戰

包為民  韓天琪攝影

未來航天技術將聚焦四大能力,打造新興產業,培育新動能,迎接太空經濟。這四大能力是進出空間、探索空間、利用空間和開發空間。

■包為民

伴隨新一代全球通信衛星與空間互聯網星座、月球探測等為代表的大規模空間設施建設及航天產業的快速發展,我們已經邁向太空經濟時代。相關產業規模快速增長,將成為社會經濟發展的新動能、新趨勢和新模式。

航天產業已經拓展到空間資源開發、能源利用、在軌制造、醫藥衛生、太空旅游等領域,其發展呈現出航班化、商業化、產業化、規模化等新特點。利用太空和開發太空可以完成許多在地面做不到的事情,破解許多在地面解決不了的難題,將使突破空間的限制,突破地球資源的限制,開拓出新的家園和經濟疆域。

未來航天發展趨勢

人們對交通運輸的速度和活動范圍提出了更高要求。例如人們對太空旅游關注度日益增長、“一小時全球達”已提上議事日程,高可靠、低成本進出空間的運輸工具是實現以上需求的重要技術基礎。

未來,的活動空間將從地球到月球,再到火星和太空,我們的視野將轉向地月空間,地月空間將成為航天任務主要目的地和前哨基地。航班化運輸系統將是最重要工具,為人類走向深空、探知未知世界、認知宇宙、拓展人類文明提供更多可能。

深空探測業已成為各國競逐熱點,很多新興航天國家不斷加入到深空探測行列當中,其目標重點鎖定月球、小行星和火星等三類天體,各類計劃正在穩步實施。中國在深空探測重大專項方面規劃了火星、小行星和木星探測,尤其是無人月球探測四期規劃,2030年前將安排四次探測任務,三期任務是在明年進行月球無人采樣。

未來航天技術將聚焦四大能力,打造新興產業,培育新動能,迎接太空經濟。這四大能力是進出空間能力、探索空間能力、利用空間能力和開發空間能力。

進出空間能力將發展出低成本、高可靠進出空間的航天運輸系統。航天運輸由三個系統組成,分別是一小時全球抵達運輸+天地往返運輸+空間轉移運輸,具有高可靠、低成本特性,能滿足我國未來較長時間內空間探測任務需求,支撐航天任務和產業的發展。

探索空間能力將助力“覓音”計劃。我們正在尋找另外的適宜人類居住的星球,通過這些探索來研究地球和生命起源。我們設想在日地L2點,也就是150萬公里地月引力平衡點的位置做一個干涉望遠鏡陣列,達到提高等效口徑、分辨率的目的,搜尋近鄰恒星的宜居帶行星,確定行星軌道半徑以及溫度范圍,實現尋找另一個地球的設想。

對航天控制的新需求與挑戰

自由進出空間、探索浩瀚宇宙仍然需要解決諸多基礎問題,如可靠性及成本問題、材料的極端服役與重復使用疲勞問題、動力與能源問題、高超聲速氣動力/熱問題、多學科耦合與優化問題等,這些對航天控制也提出了高可靠、高品質、高精度、低成本、易維護等新需求。

對航天控制高可靠的需求要關注人類乘員與高價值載荷的安全、天地運輸航班應急備降、不依賴地面指揮通信的自主飛行等。對航天控制高品質的需求主要包括乘客的乘坐體驗、駕駛員的操縱品質、適應復雜的熱/過載/時間等約束,以及空間服務站、空間機器人的高效運行等。對航天控制高精度的需求有飛行器精確交會、對接與抓捕等。對航天控制低成本的需求有商業可運行、大眾可支付等。對航天控制易維護的需求有航班化班次密集、運行間隔時間短,適應全球各地的發射/著陸場,地勤操作簡單快捷等。

航天控制未來也面臨著各種挑戰,實現高可靠性方面,挑戰在于可靠的飛行控制架構與軟件、飛行控制的故障診斷隔離與恢復技術、快速的自主軌跡規劃與任務規劃。實現高品質方面,跨域多模態的高品質飛行控制將是未來挑戰。高精度方面的挑戰在于強適應高精度制導與姿態控制。實現易維護的挑戰集中在快測試、易維護的電氣系統上。實現低成本,挑戰在于多次重復使用的制導與控制、集成化標準化系統架構。

控制學科發展的思考

1948年,“控制論之父” 諾伯特·維納發表《控制論》,將控制論看作是一門研究機器、生命、社會中控制和通信一般規律的科學。通俗地說,控制論是研究動態系統在變化環境下如何保持平衡狀態與穩定狀態的科學。1954年,錢學森發表《工程控制論》,用系統工程的視角,把控制理論與工程實踐緊密結合起來,開創了一門新的技術科學,真正架起了控制理論和工程的橋梁。

現在航天控制技術還面臨很多基礎科學問題,包括極端條件帶來的非線性與不確定性問題、陌生環境帶來的知識歸納與自主適應問題、人機融合/智能控制帶來的可信與安全性問題、不確定性帶來的模型描述與有效調控問題等。

控制的基礎是用數學工具處理信息,信息的傳遞都是為了更好地實現控制意圖,而任何控制又都有賴于對控制目標信息反饋來實現,信息挖掘變得非常重要。控制理論和方法主要面臨的問題是應對各種非線性、不確定性和多元干擾,而對信息的智能處理將成為解決非線性、消除不確定性、抑制多元干擾等的有效方法。信息和控制的深度融合可能是解決未來發展中基礎問題的重要方法。

世界航天已進入到大規模進出空間和地月空間經濟的新時代,航班化航天運輸是實現低成本、大規模進出空間的重要手段和支撐,重復使用航天運載系統是大幅降低航天運輸成本的重要途徑,未來的航天器也必將是可學習、可訓練的智能航天器。