运载火箭快速测试发射关键技术及思考

罗大雷，包晨明，肖顺吾，王 康

（太原卫星发射中心，太原，030045）

0 引言

航天技术的发展促使航天产品越来越多地应用于人们的生活，改变战争形态、探索未知领域。近年来，美国、俄罗斯、欧洲等在运载火箭测试发射技术方面持续推动快速化，美国正在发展的快速测试技术使运载火箭测试时间压缩到24 h以内，代表了世界先进水平，中国也在持续推动运载火箭测试发射快速化［1］。

面对高密度、常态化的航天发射任务，需要对航天发射场重点工作及运载火箭测试发射工作快速化进行研究。如采用先进总线、机内测试、仪器可互换、箭地一体化设计、故障诊断、并行测试、远程测试支持、闭环动态测试、测试数据自动判读、智能控制与决策等技术，并对航天发射场运载火箭测试发射技术、状态、组织工作进行思考。

1 快速测试发射技术

1.1 先进总线技术

20 世纪90 年代以来，国际上运载火箭电气系统测试采用的总线技术主要有：GPIB、1553B、VXI、PCI、PXI和LXI六种测试系统，中国现在主要使用前五种，后一种也即将用于新一代运载火箭电气系统。PXI总线能加快测试速度和降低测试成本［2］，LXI总线不仅可以提供机架和堆叠式仪器的嵌入式测量方案及PC标准的I/O连接能力，还可以实现设备高集成度的插卡式模块化设计，对运载火箭电气系统各单机设备进行基于Web的分布式测试，有助于电气系统自动化测试，减少人为错误，利于总线窃听技术对箭上设备输入和输出信号连续采样和监测，加快测试进度［3］。

1.2 机内测试技术

现有运载火箭电气系统经常使用总线制，而“箭载计算机控制各类控制器”的分布式总线电气系统性能更加优越，使机内测试技术成为可能。机内测试采用箭测模式，将惯性组合、电子程配、伺服机构等单机自检信息汇总到总线上，传输到地面测试发射控制系统（以下简称测发控系统），结合分布式总线电气系统，对单机芯片实施测试［4］。运载火箭测发控系统也将采用机内测试［5］，机内测试技术能够减少人的测试操作，减少由于不熟练等原因诱发的故障，促进运载火箭电气系统的故障自动判别，缩短排故时间。

1.3 仪器可互换技术

运载火箭电气系统及基本测试的仪器设备都采用冗余来保证成功率，仪器可互换技术最大程度提炼仪器的共同部分，用软件实现仪器互换，满足用户需求。其中的基于信号驱动和实时引擎技术最为关键［6］。信号驱动用基于信号的功能函数，而不是基于仪器的函数，调用底层的基于仪器类型的函数完成仪器动作，信号驱动完成同类仪器中95%以上的仪器设备所共有的能力和属性［7］。实时引擎根据用户意图、开关或流程完成状态转变、消息处理及选择仪器类型。尽可能多地采用仪器可互换技术后，航天发射场测试发射工作将大幅度减少加注、发射预案讨论、编写、演练的时间。

1.4 箭地一体化设计技术

运载火箭电气系统设计时需综合考虑运载火箭电气系统与测发控系统设备的数字量、模拟量、开关量，科学规划测试流程，减少箭地接口及通信协议，实现箭地数据的集中处理、存储、显示以及箭地供配电、网络传输、信息采集的统一。箭地一体化设计采用系统内部的地面激励—箭上反馈—地面采集方式，提高测试效率，减少航天发射场箭地测试人员数量与工作量，加快测试发射进度，有利于测试自动化发展［1，8］。

1.5 故障诊断技术

运载火箭故障诊断技术主要有：利用噪声或者干扰信号的故障诊断；利用专家知识和人脑分析的专家系统［9］；对数据、状态估计等多种途径产生残差，再通过标准值或其他限定条件对该残差分析的数学模型方法［10］；适用于航天发射场箭上新操作手的案例推理方法［11］；受限于样本的部件互联、非线性、容错和联想的神经网络诊断；高效率低成本的对故障准确定位的分布式多传感器技术；基于电气系统特定测试发射流程的故障诊断；根据电气系统原理，设备组成、分布、联系，逻辑关系和试验数据，故障现象，建立的故障树分析方法［12］。运载火箭故障诊断技术的提高有助于排除测试故障，加快测试发射进度。

1.6 并行测试技术

并行测试是同一时间段内对不同的设备或相同设备的不同项目进行测试，增加单位时间里被测设备或项目的数量，提高测试仪器利用率，缩短测试周期。运载火箭控制系统箭上和地面的主控软件使用信息流控制不同的分布式执行终端，并行测试电气系统仪器设备。通过火箭电气系统箭上和地面的接口开关转换，将电气系统不同被测设备接入，根据任务流程交错的测试，自动调度电气系统不同设备并行测试，而且可以对设备内部的多项参数并行测试。并行测试涉及到测试流程优化、任务分解、测试仪器分配和软件多线程设计，需要在任务前期就对测试流程和测试点进行规划［1，13］。

1.7 远程测试及支持技术

运载火箭远程测试可以使不同单位的航天专家在多地对处于不同总装厂房、航天发射场的运载火箭进行测试，提高效率，减少测试时间。远程测试可以将测试的指令和控制区放在发射场，由专家远程监视判读，也可以将测试指令、控制、监视、判读信息都传递给专家，发射场现场进行线缆连接和硬件操作［14］。远程测试需要可视化交互技术；测试、视频、音频数据同步传输流量管理技术；控制系统的箭机、惯组、伺服机构，电池等多种异构数据的集中采集、存储、传输技术；发动机电磁阀、电爆管的实景镜像的数据驱动技术支持［15］。

1.8 闭环动态测试技术

目前运载火箭控制系统普遍采用摄动制导，地面测试时模拟飞行程序角无论如何变化，都不会对惯性组合产生反馈信号，对不同状态或干扰情况需单独模拟飞行。迭代制导根据目标轨道和当前位置、速度，实时调整运载火箭的入轨点、飞行程序角。运载火箭采用迭代制导模拟飞行测试时，箭上计算机不仅像摄动制导一样需要采集惯性器件的导航信息控制伺服机构、发动机摆向，还需要采集执行命令后的伺服机构、发动机摆向信息反馈给惯性器件和箭机，作为下一个状态的起始信息。迭代制导可以一次模拟飞行测试的多种状态及干扰，减少测试次数［16］。

1.9 自动判读技术

电气系统一次状态变化作为一个事件，相关数据与之绑定，专家将各种测试情况整理成测试软件，借助计算机将测试中每个事件产生的数据与事件预先绑定的数据比对，异常则报警，并生成工作日志及测试结果［17］。随着机内测试技术的发展，控制系统箭机可以监听总线上的所有单机进行自动判读，测发控系统使用遥测系统数据自动判读，两组不同的判读技术可以相互辅助验证。测试数据自动判读技术可以提高效率，减少发射场工作人员任务量，缩短测试周期［18］。

1.10 智能控制与决策技术

运载火箭控制系统箭机通过总线收集单机自测试信息并自动判读，将有效减少测试人员工作量，提高测试速度。智能控制通过可见光、红外、激光等方式的机器视觉进行不同环境下的数据采集；利用已有的数学规律处理日益复杂的设备、系统产生的模拟量、数字量、开关量数据；分系统、总检查测试远程对运载火箭进行故障诊断、定位；发射、飞行时的自动安全控制；电气系统可靠性、风险分析；专家意见集成、建模，形成决策支持［19-21］。

1.11 其它

加强运载火箭及测发控系统健康管理技术研究，提高其自测能力，减少人为测试项目和故障排除时间。加强航天发射场“兵棋推演”技术研究，提高不同运载火箭测试发射效率，提高年发射能力。

2 航天发射场快速测试发射的思考

对航天发射场运载火箭测发控系统专业岗位人才能力要求进行分析，如图1所示。测发控系统的技术决定运载火箭的测试发射状态，测试发射状态包括静态的各产品选择、连接等，也包括动态的测试信息流程、数据变化等，分为发射试验、日常训练、维护保养等。测试发射状态决定专业技术人才队伍建设、活动组织等。优秀的人员组织有助于状态协调更加高效，同时也将促进运载火箭测发控系统的技术、状态的更新发展，促进岗位成才，确保试验任务向更高水平发展。

图1 航天发射场人才能力分析Fig.1 Analysis of test and launch capability for space launch site

下面主要对状态和组织两个方面对运载火箭快速测试发射影响进行说明。

减少航天发射场人员手动对火工品插头连接及回路阻值测试。设计箭上控制器和继电器组合的设备进行火箭回路阻值自检测测试，减少发射场工作人员使用外接设备测试，减少箭上地面状态变化和恢复工作。可将技术区2 天和发射区1 天的工作压缩到发射区10分钟的工作量。

使用高性能电池代替现有的地面电源来减少脱插、脱拔、模拟电缆数量及状态变化。减少有关地面供电的电缆，保证测试覆盖性条件下使箭地接口电缆数量减少到个位数，进一步减少状态转换带来的状态确认，状态恢复工作将减少发射场十分之一以上的工作量，并与真实飞行状态更加一致。

分系统测试状态结合箭上机内测试功能，合并测试项目，考核检查二状态和检查三状态中检查一状态考核不到的功能，减少状态转换。

总检查测试状态采用闭环策略，重复性电池使用，只进行检查一状态测试，对摄动制导和迭代制导在模飞时采用数据替换方式的现有方法改正，测试闭环控制，减少模飞次数。闭环测试可以施加干扰，考察高空风等因素［22］。虽然减少总检查次数，但考核飞行状态会更真实。测发控系统采用健康管理状态后，进一步提高运载火箭测试设备智能化水平，降低对操作人员的要求和故障排查能力的需要，减少时间精力的耗费。

探索一种以航天发射场人员为主，扁平化、实时指挥、高效决策的组织模式。发射场人员训练应保持与真实测试发射状态一致，加大科技人才培养。将运载火箭和测发控系统装备到发射场，将测试工作做在平时，定时复测，日常保养维护。加强航天发射场对运载火箭及其测发控系统检测、鉴定、维修等能力的建设。

为实现运载火箭测试发射快速化，需做好航天发射场人才培养组织工作。航天发射场人才评价工作划分尖、高、中、初四种层次，分层次评价。坚持九位一体的人才评价体系，以论文、项目、专利、著作、软件著作权、标准、竞赛、教材、职业教育课程九个方面进行人才的评价工作。督促提高专业技术人才发现问题、分析问题、解决问题的能力。以是否有利于航天发射场全面发展建设，是否有利于人才培养，是否有利于航天发射场核心能力提高为标准进行评价，激励人才主动作为。

针对快速测试发射需求，做好组织评价工作。管理任何一个组织，要想健康快速地发展都需要健全高效的组织架构、管理体系，提升活力，营造积极向上、团结协作的氛围。

航天发射场在串行任务逐渐饱和的情况下，继续提高年发射能力要考虑不同运载火箭并行测试，现有技术、状态条件也将逐步支持并行测试。在组织层面要考虑组织扁平化，人员、设备、后勤在一定时期内在不同组织流动的及时性。

3 结束语

中国航天发射活动已经进入高密度状态，同一个航天发射场在同一时间段会有多发运载火箭任务并行，而且未来会更加频繁。航天发射场负责对火箭各系统进行测试、电池充电、方位瞄准、诸元装订并实施发射。测试发射工作是航天发射场的中心工作，是航天活动的基础工作，工作重要且任务繁重。研究运载火箭快速测试发射技术、状态和组织，有助于航天发射场中心工作的开展，有助于满足中国日益繁重的航天活动需求。