号称世界上“最强”火箭的神经系统有多强？

香蕉

运载的能力有多大，航天的舞台就有多大。这句话说出了火箭的重要性，毕竟只有火箭发射成功了，它的乘客才有表现的机会。也正由于此，火箭的可靠性和安全性一直是设计方和用户关心的重点，这使得火箭系统在采用新技术时非常谨慎，美国的SLS重型运载火箭亦是如此。尽管SLS的制导和姿态稳定控制系统均采用了一些新技术，例如“第三代闭环最优制导方法”以及“自适应增广控制方案”，但这些方法均是在火箭飞行过程中发生了某种工况后才被“触发”，如果飞行过程中一切都在预料之中，则仍然使用传统的手段，例如大气层内飞行采用开环制导，飞离大气层后采用PEG闭环制导；全程采用经典的PID控制。各种新的算法仅在不得不用时才登台露面，因为再不用就可能飞行失败。
SLS是NASA正在研制的重型运载火箭，是为了实现载人登火而研发的。关于该型火箭的总体设计参数等，已有各种文章进行了介绍，其特点如图1所示，本文不再赘述。

号称世界上“最强”火箭的神经系统有多强？

图1 SLS重型运载火箭

本文重点谈谈被誉为火箭神经中枢的控制系统，在SLS控制系统的设计上，有哪些研究内容值得关注。
1制导系统设计
部分美国学者将制导技术分为三代，第一代闭环最优制导算法称作迭代制导（Iterative Guidance Method，（IGM）），应用于阿波罗计划中的土星火箭。
第一代制导方法的特点：
基于在定常重力场中的2维运动
单一的入轨条件形式(平面内速度分量和高度）
第二代闭环最优制导算法称作动力显式制导（Powered Explicit Guidance，PEG)，为航天飞机而研发，进而成为美国当前的主要制导算法。
第二代制导方法的特点：
制导方程基于3维运动，近似考虑向心重力场的影响
可将入轨条件设为预订轨道上的任意指定点
必要时在每一制导周期中可进行迭代以获得更高精度的制导解
包含任务中断制导模式，如Abort-to-Orbit （ATO），Return-to-Launch-Site (RTLS)，Trans-Atlantic-Landing (TAL)）等。
开环的摄动制导未归纳在第几代范围内。而当前SLS的制导方案可称为第三代，专为SLS研发，以适应非灾难性故障。在SLS正常飞行时仍较保守，第一级开环控制，助推器分离后PEG闭环制导。当推进系统或其他子系统出现（非灾难性）故障时，通过第三代制导方法，使得对于载货任务将力争进入预定轨道，直至燃料耗尽（engine-out capability）；对于载人任务将进行ATO，制导系统确定新的适当的入轨条件，利用SLS剩余的推进能力及猎户座载人飞船的推进系统，进入一个安全轨道。这就要求制导系统能最大程度地优化SLS的轨迹性能，制导算法必须有能力在线自主处理各种可能遇到的情况。
第三代制导方法的特点:
可执行定时、定姿、定点入轨条件或其他终端约束
可在任意两级间加入一个滑行段并进行优化
采用计算数学中公认最有效的数值方法
可靠性和运算速度满足在线实用要求。
当然，算法的实现需要发动机性能的支持，例如推力要有余量，并且能够调节。
SLS预计在2018年首飞，届时是否能全面验证第三代闭环最优制导算法，目前还未见明确的报道。
2姿态控制系统设计
尽管控制技术发展出了多种理论，在运载火箭上仍以最传统的PID控制为主，美国亦是如此。常规PID控制是基于标准弹道基础上采用离线增益定序设计的PID控制参数，在实际飞行中无法实时应对各种外界干扰。尤其对重型运载火箭而言，由于起飞质量、惯量较大，在大风干扰力矩、振动信号较大，以及火箭分离干扰力、发动机发生故障等条件下，基于经典频域理论的PID控制系统较为保守，在实际运用中无法有效应对。近年来，针对这一问题发展了自适应增广控制方法（Adaptive Augmenting Control， AAC），SLS是其典型代表。其特点是：
1、与重型火箭传统PID控制律结合构成完整的控制系统，在无干扰情况下完全不影响PID控制器的工作；
2、具有在线自适应调整增益参数能力，控制系统在面临弹性振动、液体晃动、结构误差、风干扰等干扰情况下依然具有良好的控制性能；
3、系统鲁棒性明显提高，从而提高火箭飞行的稳定性。
AAC最初由NASA的马歇尔航天中心在星座计划中提出的，由于其优异的性能，NASA在2013年SLS项目初步方案评审中将其列入姿控系统设计和飞控软件研制中。AAC算法在2015年完成了技术关键性审查，计划于2018年进行第一次无载人条件下（临时低温推进剂（ICPS）模块的SLS火箭状态）的测试飞行。AAC的系统组成框图如图2所示：

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图2 AAC控制组成框图

该结构有如下组成部分：
陀螺信息的融合（gyros blending）：通过多个传感器测量出的角速率信息融合来降低低频结构模态的影响；
弯曲滤波器（bending filter）：用于减轻箭体的弯曲和晃动或者增加相位稳定裕度；
干扰补偿算法（disturbance compensation algorithm, DCA）：继承了Ares火箭的成果，用于抑制漂移和减载控制；
最优控制指令分配（Optimal Control Allocation，OCA）：发出推力矢量控制指令，包括适应发动机关机、闭环节流控制以及转级控制等；
自适应增广控制（Adaptive Augmenting Control，AAC）：AAC算法被设计为能增强现有的控制结构并且保持标称增益，同时通过简单的结构提供额外的鲁棒性，具备从低控制性能中恢复和防止或减少火箭失效的能力。
为了有效实现上述功能，需要特定的方法，如工作原理如图3所示：

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图3 AAC工作原理

使用具有自适应更新律的典型参考模型控制逻辑：
当不要进行调整时，采用原有PID参数实施控制；
当系统过度跟踪错误信号导致性能降低时可以提高控制增益；
当观测到控制指令中由于附加动力学产生过高频信号时能自适应降低增益。
由此可见，NASA在AAC的应用中仍非常谨慎，仅在需要时才触发相应的功能，并且仅是调节增益。可以通俗地理解为，当指令跟踪误差增大时，提高增益，优先保证跟踪精度；但当出现不期望的高频信号时，降低增益，优先保证稳定（此时对控制精度的要求就摆到了第二位）。
3电气系统设计
SLS的电气系统延续了Ares火箭的有关设计，全箭仍采用1553B总线（考虑到美国猎户座飞船已采用实时以太网技术，未来不排除SLS的总线系统也会更新）。其SLS Block I电气系统的组成框图如图4所示。

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图4 SLS Block I 组成框图

SLS的电气系统有如下特点：
全箭的冗余设计有多种模式，但总体上看以三冗余设计为主，如飞行计算机（FC）；部分采用双冗余，如电池单元（BU）、配电器（PDCU）等；
全箭有多套1553B总线系统，标注为“EF”、“AF”、“UF”，每套总线又采取三冗余设计；
左右两个助推器上有相对独立且设计完全相同的电气系统；
飞行计算机由MSFC亲自研发，采用三余度表决的拜占庭式故障恢复架构。冗余惯性导航单元（RINU）由Honeywell公司提供，内部采用冗余设计，具有自检测功能。该公司同样提供带自检功能的速率陀螺（RGA）。芯级发动机控制器（CSEC）由Aerojet Rocketdyne公司提供，采用带自检功能的主份/备份冗余方案。而大名鼎鼎的ULA公司则提供了基于其通用电子设备的各类控制器，例如对ICPS进行控制和健康监测的系统。
SLS也直接借用了Ares火箭平台化的设计思想和产品，例如有多类产品就基于同一设计平台孵化而来，采用三冗余设计，具备一度故障的容错能力（可参见“猫”眼看天：你们在说SpaceX白菜价的时候，专家在关注啥？）。
制导与姿态控制系统的设计最终形成软硬件产品，并与其他电子产品一并形成完整的控制系统。

baztw

不知道说些什么

joehnjul39

哦...............

hdgte54fkV

哈哈 瞧你说的~~~

kent

我想要`~

﹊ゞ邂

宁愿选择放弃，不要放弃选择。