王子瑜， 陳海鵬， 朱永泉， 王海濤， 宋敬群

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)*

王子瑜， 陳海鵬， 朱永泉， 王海濤， 宋敬群

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

介紹了運(yùn)載火箭領(lǐng)域快速測試發(fā)射技術(shù)的發(fā)展歷程， 同時(shí)梳理美國、 日本快速響應(yīng)運(yùn)載火箭在快速測試發(fā)射技術(shù)上所取得的最新進(jìn)展. 針對國外運(yùn)載火箭的研制情況， 對電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測試技術(shù)、 先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)、 智能化故障診斷技術(shù)、 并行測試技術(shù)等快速測試發(fā)射技術(shù)進(jìn)行分析， 研究了其技術(shù)優(yōu)勢及需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題， 為未來我國運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展提供參考.

運(yùn)載火箭； 快速測試發(fā)射； 故障診斷

0 引 言

運(yùn)載火箭的技術(shù)水平代表著一個(gè)國家自主進(jìn)入空間的能力， 是開展空間活動(dòng)的前提. 而確保快速、 可靠地進(jìn)入空間是實(shí)現(xiàn)航天飛行器快速部署、 重構(gòu)和維護(hù)的迫切需求， 也是大規(guī)模和平開發(fā)利用空間資源， 服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需要. 一方面， 隨著局部戰(zhàn)爭中航天飛行器應(yīng)用的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)支持， 快速進(jìn)入空間實(shí)現(xiàn)空間作業(yè)和空間攻防對抗已成為未來戰(zhàn)爭的關(guān)鍵； 另一方面， 突發(fā)性自然災(zāi)害對天基信息獲取與傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)需求也越來越高[1]. 航天運(yùn)輸系統(tǒng)快速測試發(fā)射技術(shù)所蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價(jià)值， 使其成為航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2-3]， 美國、 俄羅斯等航天大國均已開展了大量的研究工作[4].

2001年11月， 美國空軍航天司令部(AFSPC)公布了《作戰(zhàn)快速響應(yīng)空間運(yùn)輸任務(wù)需求聲明》報(bào)告， 首次對快速空間響應(yīng)運(yùn)載器的概念進(jìn)行了定義， 同時(shí)把空間快速響應(yīng)技術(shù)作為未來航天發(fā)展的主要目標(biāo)之一， 目的是在幾小時(shí)或幾天內(nèi)把衛(wèi)星發(fā)射入軌或快速修復(fù)關(guān)鍵的空間系統(tǒng). 2003年1月， 美國空軍航天司令部正式啟動(dòng)快速響應(yīng)空間計(jì)劃[5](Operationally Responsive Space， ORS)， 旨在快速發(fā)射運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)空間衛(wèi)星部署. 在各項(xiàng)快速響應(yīng)空間相關(guān)計(jì)劃的支持下， 美國加速了對快速測試發(fā)射技術(shù)的研究及相關(guān)演示驗(yàn)證工作， 最具代表性的就是利用米諾陶火箭發(fā)射Tacsat衛(wèi)星項(xiàng)目， 初步對快速測試發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證. 俄羅斯在快速空間響應(yīng)運(yùn)載器上也開展了大量研究， 其退役的彈道導(dǎo)彈大都改制成運(yùn)載火箭， 在“安全2004”軍演期間快速將一顆軍事衛(wèi)星準(zhǔn)確發(fā)射入軌， 印證了其快速測試發(fā)射能力. 日本艾普斯龍的首飛成功， 更是讓其快速測試發(fā)射技術(shù)閃亮國際快速響應(yīng)舞臺.

運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)包括： 電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測試技術(shù)、 先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)、 智能化故障診斷技術(shù)以及并行測試技術(shù)等. 本文主要介紹了國外運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 對快速測試發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究， 并分析實(shí)現(xiàn)快速測試發(fā)射的技術(shù)途徑， 對我國運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)研究發(fā)展提供參考.

1 國外運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

快速響應(yīng)空間運(yùn)載火箭的起源分為兩大類， 一種是基于導(dǎo)彈改型， 另一種是專門新研的火箭. 國外新一代運(yùn)載火箭在動(dòng)力更新?lián)Q代、 系統(tǒng)通用化/模塊化、 測試自動(dòng)化等技術(shù)的支持下， 其快速進(jìn)入空間的能力和任務(wù)適應(yīng)性都得到全面地提升和拓展， 可進(jìn)行一箭一星和一箭多星發(fā)射， 初步實(shí)現(xiàn)了快速測試發(fā)射運(yùn)載火箭. 而美國正計(jì)劃發(fā)展的快速測試發(fā)射運(yùn)載火箭的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間甚至可以控制在24 h以內(nèi).

近年來， 美國、 歐洲、 日本等一直不懈推動(dòng)著快速空間響應(yīng)的發(fā)展， 其快速測試發(fā)射技術(shù)發(fā)展水平代表了世界最高水平， 其中以美國的 Falcon 9 運(yùn)載火箭及日本的Epsilon運(yùn)載火箭最具代表性.

1.1 Falcon 9運(yùn)載火箭

Falcon 9運(yùn)載火箭是美國SpaceX公司研制的一款中型、 低成本、 采用液氧/煤油為推進(jìn)劑的兩級型液體運(yùn)載火箭(見圖 1)， 其設(shè)計(jì)理念是顯著增加系統(tǒng)可靠性、 降低成本， 同時(shí)提升快速響應(yīng)能力.

圖 1 Falcon 9運(yùn)載火箭Fig.1 The Falcon 9 launch vehicle

Falcon 9運(yùn)載火箭標(biāo)稱發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間為16 d(具體發(fā)射準(zhǔn)備流程見圖 2)， 是國外快速測試發(fā)射液體運(yùn)載火箭中的典型代表： 火箭各部段對接、 各系統(tǒng)功能測試、 全箭健康檢查需要10 d； 火箭與載荷對接工作需要2 d； 轉(zhuǎn)場及發(fā)射區(qū)工作需要3 d； 在發(fā)射前1 d起豎運(yùn)載火箭， 進(jìn)行發(fā)射前測試準(zhǔn)備. 這一發(fā)射準(zhǔn)備周期可以滿足各種航天發(fā)射任務(wù)的需求.

圖 2 Falcon 9運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備流程Fig.2 Nominal launch operations flow of Falcon 9

Falcon 9運(yùn)載火箭合理安排全箭的測試流程， 按模塊級到系統(tǒng)級直至最后的全系統(tǒng)測試順序完成火箭的測試工作. Falcon 9火箭電氣系統(tǒng)采用簡化設(shè)計(jì)原則， 通過先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行地面測發(fā)控一體化設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測試及測試數(shù)據(jù)的綜合處理， 提高了測試效率. 另外， Falcon 9運(yùn)載火箭采用基于網(wǎng)絡(luò)信息化的遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了前后方人員的優(yōu)化配置和發(fā)射任務(wù)的快速響應(yīng).

1.2 Epsilon運(yùn)載火箭

Epsilon運(yùn)載火箭是日本研制的三級固體運(yùn)載火箭(見圖 3)， 包括基本型和擴(kuò)展型兩種構(gòu)型， 擴(kuò)展型是在基本型的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)小型液體推進(jìn)系統(tǒng)， 長度和直徑均不變. Epsilon運(yùn)載火箭研制目的是實(shí)現(xiàn)小型衛(wèi)星的快速發(fā)射， 降低成本、 提高發(fā)射效率.

圖 3 Epsilon運(yùn)載火箭Fig.3 The Epsilon launch vehicle

Epsilon運(yùn)載火箭在快速測試發(fā)射方面的主要?jiǎng)?chuàng)新在于人工智能自動(dòng)檢測技術(shù)和先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)的應(yīng)用， 其發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間不超過 14 d，火箭從起豎到完成發(fā)射需要3～6 d， 而在發(fā)射日僅需3 h即可完成火箭的發(fā)射. Epsilon運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備流程見圖 4.

圖 4 Epsilon運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備流程Fig.4 Nominal launch operations flow of Epsilon

Epsilon運(yùn)載火箭運(yùn)用人工智能技術(shù)支持的自主測試技術(shù)， 通過閾值對運(yùn)載火箭狀態(tài)進(jìn)行判斷， 并根據(jù)動(dòng)態(tài)評估數(shù)據(jù)對火箭進(jìn)行故障檢測及故障隔離， 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭自動(dòng)狀態(tài)檢測功能， 這項(xiàng)技術(shù)不僅簡化了發(fā)射場地面設(shè)備， 同時(shí)也減少了發(fā)射場測試時(shí)間. 另外， Epsilon運(yùn)載火箭采用新型地面測發(fā)控技術(shù)(體系結(jié)構(gòu)見圖 5)優(yōu)化了箭地間通信設(shè)計(jì)， 同時(shí)運(yùn)用遠(yuǎn)程發(fā)射支持技術(shù)， 使運(yùn)載火箭的測試和發(fā)射控制僅使用1臺筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)就可以在世界上任何地點(diǎn)、 任何時(shí)間完成， 是日本第一種可以從發(fā)射場以外區(qū)域進(jìn)行發(fā)射控制的運(yùn)載火箭， 極大提高了Epsilon運(yùn)載火箭的空間響應(yīng)能力.

圖 5 Epsilon運(yùn)載火箭地面測發(fā)控通信體系結(jié)構(gòu)Fig.5 The communication architecture of Epsilon’s test and launch control system

2 運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)分析

快速測試發(fā)射運(yùn)載火箭除了需要設(shè)計(jì)優(yōu)化的測試發(fā)射流程， 其關(guān)鍵技術(shù)還包括： 電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測試技術(shù)、 先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)、 智能化故障診斷技術(shù)以及并行測試技術(shù)等.

2.1 電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測試技術(shù)

目前國外運(yùn)載火箭箭上電氣系統(tǒng)普遍采用基于總線制的分布式全數(shù)字系統(tǒng)， 以往以箭載計(jì)算機(jī)為核心的集中式控制逐漸被“箭載計(jì)算機(jī)+各類控制器”的分布式控制所替代[6]. 即， 火箭各電氣系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備均設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字化部件作為“站點(diǎn)”掛在總線上， 所有站點(diǎn)的信息交互均通過總線實(shí)現(xiàn)， 構(gòu)成了一個(gè)開放的、 信息高度共享的全數(shù)字、 分布式系統(tǒng)， 通過總線可以監(jiān)測箭上電氣系統(tǒng)的全部信息. 在此模式下， 對電氣系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)提出了較高的要求， 良好的測試性設(shè)計(jì)可以有效地縮短運(yùn)載火箭測試發(fā)射流程， 極大提高測試效率. 智能化機(jī)內(nèi)測試(Built-in Test， BIT)技術(shù)是目前解決高復(fù)雜系統(tǒng)和設(shè)備測試性最有效的途徑之一， 是運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)之一.

BIT技術(shù)是指系統(tǒng)或單機(jī)設(shè)備利用其內(nèi)部設(shè)計(jì)的一些自檢測電路和軟件為系統(tǒng)或單機(jī)設(shè)備提供檢測、 診斷故障然后隔離故障的一種自動(dòng)測試技術(shù)[7-8]， 其結(jié)構(gòu)原理如圖 6 所示.

圖 6 BIT結(jié)構(gòu)原理圖Fig.6 The function diagram of BIT

BIT技術(shù)是復(fù)雜系統(tǒng)或單機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)、 狀態(tài)監(jiān)測、 診斷故障和維修決策等方面的共性技術(shù)， 能夠提高系統(tǒng)故障診斷的精確性、 縮短故障診斷時(shí)間， 并能及時(shí)向測試人員報(bào)告被檢測系統(tǒng)或單機(jī)設(shè)備的狀態(tài)， 對提高運(yùn)載火箭測試發(fā)射效率具有重要意義. 典型BIT工作流程如圖 7 所示， 系統(tǒng)在啟動(dòng)BIT、 周期BIT和交互式BIT 3種監(jiān)測方式下檢測系統(tǒng)中可能存在的故障， 并將故障定位到可更換單元(Line Replace Unit， LRU).

圖 7 典型BIT工作流程Fig.7 The framework of BIT

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)在進(jìn)行BIT設(shè)計(jì)之前， 應(yīng)先進(jìn)行各分系統(tǒng)及單機(jī)設(shè)備的測試性分析， 之后按照“確定系統(tǒng)BIT功能及工作模式→確定BIT測試等級→權(quán)衡BIT軟件和硬件→設(shè)計(jì)合理的BIT方案→選取合適的測試項(xiàng)目與測試點(diǎn)”流程[9]進(jìn)行電氣系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)， 最后依據(jù)故障檢測率(FDR)、 故障隔離率(FIR)及虛警率(FAR)3個(gè)指標(biāo)對電氣系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)[10].

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)采用BIT技術(shù)應(yīng)遵循如下原則：

1) BIT設(shè)計(jì)應(yīng)是單機(jī)設(shè)備的一個(gè)組成部分， 當(dāng)執(zhí)行BIT功能時(shí)， 不需要外部激勵(lì)或測量設(shè)備， 而是利用單機(jī)內(nèi)部的自檢測電路， 通過硬件和軟件激勵(lì)完成在線BIT功能.

2) BIT自檢測電路和軟件設(shè)計(jì)必須具有高可靠性， 不能由于BIT電路或軟件的失效影響系統(tǒng)的性能. 同時(shí)BIT自檢測電路和軟件的設(shè)計(jì)增量， 不應(yīng)超過單機(jī)電路、 器件和軟件設(shè)計(jì)的10%.

3) BIT監(jiān)測方法的選取應(yīng)根據(jù)使用中允許的最大故障檢測時(shí)間來確定： ① 啟動(dòng)BIT， 系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)， 對單機(jī)設(shè)備內(nèi)部執(zhí)行自檢測； ② 周期BIT， 電氣系統(tǒng)正常工作期間， 對各單機(jī)設(shè)備內(nèi)部測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測， 周期性地將監(jiān)測量數(shù)據(jù)發(fā)送至總線； ③ 交互式BIT， 單機(jī)設(shè)備通過總線接收某種特定測試指令完成某些復(fù)雜的BIT測試.

隨著運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)向數(shù)字化、 智能化方向的發(fā)展， BIT技術(shù)作為提高電氣系統(tǒng)測試性最為有效的途徑之一將融入到火箭電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中， 未來通過智能化BIT以及BIT技術(shù)與自動(dòng)測試設(shè)備(Automatic Test Equipment， ATE)的融合， 將以盡可能少的附加硬件/軟件提高電氣系統(tǒng)測試效率.

2.2 先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)

地面測發(fā)控系統(tǒng)是運(yùn)載火箭的重要組成部分， 用以完成運(yùn)載火箭的測試、 射前監(jiān)測和發(fā)射控制. 傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的測發(fā)控技術(shù)一直定位于對火箭箭上產(chǎn)品的功能、 性能指標(biāo)測試， 隨著新技術(shù)的發(fā)展， 特別是在箭上電氣系統(tǒng)總線化、 測試發(fā)射快速化需求的牽引下， 地面測發(fā)控技術(shù)取得了顯著進(jìn)步[11-12].

2.2.1 一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

Epsilon運(yùn)載火箭就采用了一體化地面測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 大幅簡化了地面測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備， 極大地提高了測試效率. 圖 8 是Epsilon運(yùn)載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)工作原理圖， 從圖中可以看出： 火箭優(yōu)化了箭地間通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 全箭通過供電線路、 全箭監(jiān)測/控制線路以及應(yīng)急控制線路完成箭地的聯(lián)系； 另外， 后端控制中心測發(fā)控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)， 使用極少的測發(fā)控設(shè)備即可完成運(yùn)載火箭狀態(tài)監(jiān)視以及測發(fā)流程控制[13].

圖 8 Epsilon運(yùn)載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)工作原理圖Fig.8 The function diagram of Epsilon’s test and launch control system

地面測發(fā)控一體化設(shè)計(jì)技術(shù)是運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)一個(gè)不容忽視的發(fā)展趨勢. 一體化測試技術(shù)優(yōu)化了地面測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)了箭上和地面大量數(shù)據(jù)的集中處理、 實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、 分析與顯示， 可以大大簡化數(shù)據(jù)處理構(gòu)架， 減少地面發(fā)射支持人員工作量. 另外， 通過地面設(shè)備模塊化、 接口通用化等設(shè)計(jì)方法， 能夠根據(jù)不同的測試需求任意組合地面測發(fā)控設(shè)備模塊， 這不僅無需增加或改變接口及通信協(xié)議， 同時(shí)極大提高了設(shè)備自身的可靠性. 一體化設(shè)計(jì)程度的提高不僅減少了地面測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備展開、 測試、 排故的時(shí)間， 也將大大縮短運(yùn)載火箭的測試周期.

運(yùn)載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)原理示意圖見圖 9， 其實(shí)現(xiàn)了集成化網(wǎng)絡(luò)通信、 集成化供配電、 集成化測發(fā)控、 集成化信息處理與存儲(chǔ)以及集成化信息應(yīng)用5方面內(nèi)容， 具體如下：

1) 集成化網(wǎng)絡(luò)通信： 采用集中設(shè)計(jì)模式， 選用高可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 組建集成化的前后端的通信鏈路， 實(shí)現(xiàn)前、 后端設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信， 信息交換與共享.

2) 集成化供配電： 將運(yùn)載火箭箭上供配電功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)， 采用一套地面設(shè)備， 完成所有系統(tǒng)供配電.

3) 集成化測發(fā)控： 采用一套地面設(shè)備， 完成運(yùn)載火箭的測控功能， 實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通道的一體化設(shè)計(jì)、 測發(fā)控功能一體化設(shè)計(jì)等.

4) 集成化信息處理及存儲(chǔ)： 對后端測控微、 服務(wù)器進(jìn)行整合， 根據(jù)系統(tǒng)及功能進(jìn)行劃分， 采用云計(jì)算技術(shù)， 統(tǒng)一進(jìn)行管理， 實(shí)現(xiàn)基于云計(jì)算平臺的信息處理系統(tǒng)， 并集中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與管理.

5) 集成化信息應(yīng)用： 采用一體化軟件設(shè)計(jì)平臺， 通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的集成化信息應(yīng)用.

圖 9 運(yùn)載火箭地面測發(fā)控一體化原理示意圖Fig.9 The illustration for test and launch control system based on incorporated technology

圖 10 運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)框架圖Fig.10 The block diagram of long distance launch support system of launch vehicle

2.2.2 遠(yuǎn)程發(fā)射支持技術(shù)

運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程發(fā)射支持技術(shù)是指通過在前方(火箭發(fā)射場)、 后方(設(shè)計(jì)部門)建設(shè)數(shù)字化的測試監(jiān)測及信息應(yīng)用系統(tǒng)， 在后方實(shí)現(xiàn)對前方測試數(shù)據(jù)、 圖像信息等的完整映射， 遠(yuǎn)程再現(xiàn)發(fā)射場情況， 使后方設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測運(yùn)載火箭狀態(tài)， 完成運(yùn)載火箭的測試發(fā)射工作[14]. 該技術(shù)可以有效減少發(fā)射場人員， 充分利用后方軟硬件資源與專家智力資源， 提高測試發(fā)射效率， 在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的快速響應(yīng). 同時(shí)， 也可以使有限的測試人員兼顧多發(fā)次火箭的測試發(fā)射任務(wù). 遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)框架如圖 10 所示.

前方將運(yùn)載火箭現(xiàn)場的各種圖像、 音/視頻信息進(jìn)行采集并通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到后方， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、 前后方現(xiàn)場互動(dòng)協(xié)調(diào)， 并將后方專家決策信息傳遞到前方； 另一方面， 前方將運(yùn)載火箭各系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理， 通過網(wǎng)絡(luò)在后方再現(xiàn)前方火箭的各種測試信息， 可供后方進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的判讀、 對運(yùn)載火箭狀態(tài)或故障進(jìn)行分析等工作， 實(shí)現(xiàn)前后方協(xié)作的遠(yuǎn)程自動(dòng)化測試發(fā)射支持工作模式.

2.2.3 測試數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀技術(shù)

測試數(shù)據(jù)的處理和判讀是運(yùn)載火箭在測試發(fā)射過程中非常重要的環(huán)節(jié). 當(dāng)測試結(jié)束后， 通過實(shí)時(shí)自動(dòng)判讀得出測試結(jié)論， 為運(yùn)載火箭的測試和發(fā)射提供可靠保障， 提高了測試效率. 測試數(shù)據(jù)的自動(dòng)判讀方法主要從以下兩個(gè)方面著手： 一是通過對運(yùn)載火箭測試數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)進(jìn)行分析， 找出測試數(shù)據(jù)的規(guī)律； 二是根據(jù)其規(guī)律， 制定合理可行的自動(dòng)判讀依據(jù)， 并進(jìn)行判讀知識庫的設(shè)計(jì)和自動(dòng)判讀軟件設(shè)計(jì).

2.3 智能化故障診斷技術(shù)

以往運(yùn)載火箭測試中的故障診斷， 往往依賴專家經(jīng)驗(yàn)采用排除法對可能出現(xiàn)故障的部位進(jìn)行逐一排查， 耗費(fèi)時(shí)間長， 不能適應(yīng)快速測試發(fā)射運(yùn)載火箭的需求. 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 國外運(yùn)載火箭在故障診斷技術(shù)研究與應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)步， Falcon 9火箭和Epsilon火箭多次在發(fā)射前通過智能化故障診斷技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題.

故障診斷技術(shù)是運(yùn)載火箭測試中的重要環(huán)節(jié)， 是指利用測試檢查方法發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備故障并減少故障影響的過程、 方法和技術(shù)[15]. 故障診斷技術(shù)通過獲取全箭測試信息， 以“專家系統(tǒng)”為基礎(chǔ)對運(yùn)載火箭測試過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)分析、 診斷推理， 實(shí)現(xiàn)對故障的實(shí)時(shí)檢測和診斷定位， 并能輔助技術(shù)人員進(jìn)行故障排查、 解決， 將故障影響降到最低， 同時(shí)提升運(yùn)載火箭的測試效率[16-17].

運(yùn)載火箭應(yīng)用故障診斷技術(shù)應(yīng)關(guān)注以下方面：

1) 箭上設(shè)備的智能化. Epsilon運(yùn)載火箭在箭上配備了快速測試操作支持設(shè)備(Responsive Operation Support Equipment, ROSE)， 該設(shè)備作為箭上故障檢測的核心設(shè)備負(fù)責(zé)火箭狀態(tài)監(jiān)測、 緊急終止和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠泄δ? ROSE將火箭測試方案、 測試指令、 測試的正常響應(yīng)等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中， 并依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的各種檢測信息執(zhí)行自檢測功能， 將采集的數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)比對， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的診斷工作.

2) 箭地融合技術(shù). 采用箭上智能化單機(jī)設(shè)備， 通過故障診斷核心單機(jī)的自檢測功能， 可以較好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的測試以及特定模式的故障診斷. 但由于箭上單機(jī)只對特定故障模式有較好的檢測效果， 這就需要將箭上電氣系統(tǒng)與地面測發(fā)控進(jìn)行融合設(shè)計(jì)， 將運(yùn)載火箭的測試重心放到箭上， 地面測發(fā)控系統(tǒng)同步進(jìn)行協(xié)同分析. 同時(shí)輔以技術(shù)人員通過監(jiān)測終端對火箭測試數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析、 決策.

3) 故障診斷方法. 常用的故障診斷方法主要是基于閾值判別機(jī)制的故障診斷、 基于知識庫的專家系統(tǒng)故障診斷、 基于模型的故障診斷、 基于自學(xué)習(xí)的推理機(jī)制、 基于信息融合的故障診斷以及自主診斷技術(shù). 各種方法在其適應(yīng)領(lǐng)域均有較為出色的表現(xiàn)， 但也存在一些局限， 未來多種方法的融合將成為運(yùn)載火箭故障診斷的重要途徑[18].

2.4 并行測試技術(shù)

并行測試是指通過增加單位時(shí)間內(nèi)被測對象(Unit Under Test， UUT)的數(shù)量以提高系統(tǒng)吞吐率， 同時(shí)在每一個(gè)被測對象內(nèi)部并行測試多個(gè)被測參數(shù)， 并根據(jù)測試需求自動(dòng)調(diào)度每個(gè)被測對象及被測參數(shù)， 提高測試資源利用效率[19]. 并行測試技術(shù)是將先進(jìn)并行處理技術(shù)引入自動(dòng)測試領(lǐng)域所形成的一種先進(jìn)測試技術(shù)， 美國NxTest體系將其列為下一代關(guān)鍵技術(shù)之一， 具有大幅減少測試時(shí)間， 提高測試效率的優(yōu)勢.

并行測試技術(shù)[20]主要包括同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)UUT并行測試和一個(gè)UUT同步或異步進(jìn)行多項(xiàng)測試， 實(shí)現(xiàn)對一個(gè)UUT多個(gè)參數(shù)的測試共兩種模式.

2.4.1 單個(gè)UUT并行測試

將單個(gè)UUT測試任務(wù)按功能劃分為若干相對獨(dú)立的測試參數(shù)， 通過同步或異步運(yùn)行兩個(gè)或多個(gè)測試程序， 對UUT多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測試.

2.4.2 多個(gè)UUT并行測試

目前有3種途徑實(shí)現(xiàn)多個(gè)UUT并行測試：

1) 通過接口開關(guān)轉(zhuǎn)換進(jìn)行多個(gè)UUT并行測試. 此種方法適用于只有一套測試設(shè)備的測試系統(tǒng)， 通過選擇不同UUT的接口開關(guān)， 將不同的UUT接入測試系統(tǒng)進(jìn)行測試.

2) 通過“交錯(cuò)”進(jìn)行多個(gè)UUT并行測試. 在多個(gè)UUT并行測試過程中， 根據(jù)需求合理安排各UUT測試任務(wù)順序， 通過各測試任務(wù)交錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)并行測試.

3) 通過自動(dòng)調(diào)度進(jìn)行多個(gè)UUT并行測試. 此方法不僅可以對多個(gè)UUT同時(shí)測試， 而且對每個(gè)UUT的內(nèi)部參數(shù)也可進(jìn)行并行測試. 它根據(jù)測試需求自動(dòng)調(diào)度各UUT及每個(gè)UUT的被測參數(shù)， 從測試伊始就并行執(zhí)行所有測試任務(wù)， 使得測試資源始終處于非空閑狀態(tài).

自動(dòng)調(diào)度并行測試是目前并行測試技術(shù)中較為合理和先進(jìn)的， 圖 11 是該方法的流程圖.

圖 11 自動(dòng)調(diào)度并行測試流程圖Fig.11 The framework of automatic scheduling parallel test

測試任務(wù)的分解是自動(dòng)調(diào)度并行測試的實(shí)現(xiàn)前提， 其影響到最終并行測試的執(zhí)行效率及執(zhí)行時(shí)間. 測試任務(wù)分解應(yīng)以“關(guān)聯(lián)性強(qiáng)者歸一、 等待間隔長者分解”為原則， 綜合考慮顆粒度和測試切換對任務(wù)執(zhí)行的影響： 顆粒度過小、 任務(wù)頻繁切換導(dǎo)致切換準(zhǔn)備時(shí)間過長， 影響測試效率； 顆粒度過大、 測試項(xiàng)目內(nèi)等待導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間延長， 并行執(zhí)行效率下降. 使用自動(dòng)調(diào)度并行測試方法相較傳統(tǒng)順序測試， 可以大幅減少測試時(shí)間， 提高測試效率.

對運(yùn)載火箭而言， 并行測試可從兩個(gè)維度進(jìn)行： 一方面運(yùn)用統(tǒng)籌學(xué)方法安排測試項(xiàng)目， 合并優(yōu)化測試流程， 不干涉的測試項(xiàng)目并行開展， 達(dá)到縮短測試時(shí)間的目的， 這是提高測試發(fā)射效率的有效手段； 另一方面對各系統(tǒng)測試參數(shù)開展并行測試， 這涉及到測試任務(wù)分解， 測試儀器資源分配， 測試軟件多線程設(shè)計(jì)等， 需要在系統(tǒng)前期測試項(xiàng)目和測試點(diǎn)分析時(shí)就開展規(guī)劃.

3 結(jié) 論

快速測試發(fā)射技術(shù)對實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭快速、 可靠進(jìn)入空間具有極大的軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 是未來航天技術(shù)發(fā)展的主要方向之一. 實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的快速測試發(fā)射， 需要解決諸多技術(shù)， 電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測試技術(shù)、 先進(jìn)地面測發(fā)控技術(shù)、 智能化故障診斷技術(shù)以及并行測試技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù). 通過本文對運(yùn)載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)的研究， 希望對我國運(yùn)載火箭未來快速測試發(fā)射技術(shù)發(fā)展提供參考， 對未來運(yùn)載火箭型號的研制具有一定的指導(dǎo)意義.

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SurveyandReviewonRapidTestTechnologyofLaunchVehicle

WANG Zi-yu, CHEN Hai-peng, ZHU Yong-quan, WANG Hai-tao, SONG Jing-qun

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076, China)

The developing course of the rapid test technology of launch vehicle was introduced, and reviewed the latest progress in the United States and Japan. According to the development situation of rapid test technology in foreign countries, measuring and testing technology of electrical intelligent machine, advanced test launch control technology, intelligent fault diagnosis technology, parallel test technology, and other rapid test launch technology were analyzed. On the basis of the analysis, technical advantages and key technical problems were introduced, which were providing reference for the future development of the China’s launch vehicle technology.

launch vehicle; rapid test; fault diagnosis technology

1673-3193(2017)03-0307-09

2016-09-19

王子瑜(1985-)， 男， 工程師， 碩士， 主要從事運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的研究.

V467

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.011