我国首颗可重复使用返回式技术试验卫星成功发射｜数字孪生技术助力运载火箭仿真验证系统革命

2024-12-19
浙江
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9 月 27 日 18 时 30 分，长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心一飞冲天，随后将我国首颗可重复使用返回式技术试验卫星——实践十九号卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

▲长二丁火箭发射升空

新一代运载火箭肩负着未来载人登月、深空探测等重大任务，不仅是我国航天事业的重要里程碑，更是探索宇宙和推动科技进步的关键工具。随着未来航天发射任务的多样化和复杂性不断增加，运载火箭的性能和可靠性变得尤为重要。为确保任务的顺利完成，运载火箭在设计、制造、测试等各个环节都必须达到更加严苛的标准，以应对未来更高频次、更高难度的发射挑战，保障任务安全与成功。

火箭控制系统是运载火箭维持姿态稳定的核心部件，控制系统的高可靠性是火箭成功发射的重要保障。近十年来火箭发射的失败案例中，控制系统故障原因位居第二。由此可见，无论是地面测试阶段对火箭单机设备的分系统测试，还是飞行阶段的成功运行，控制系统的故障诊断与健康管理都显得尤为重要。可以说，故障诊断和容错重构能力是衡量运载火箭设计水平的重要标志，该技术的使用可以将飞行任务从失败的边缘挽救回来。

针对运载火箭的故障诊断技术可大致分为：1.故障树分析法；2.专家系统诊断法；3.神经网络诊断法；4.数据驱动和模型驱动诊断法。

NASA 等机构使用 3 种故障诊断工具：基于模型的故障诊断、基于规则的专家系统、基于数据驱动的故障诊断，联合研制了 Ares I-X 地面故障诊断原型样机项目，用于射前诊断固体发动机故障。

▲Ares I-X 架构图

欧空局研发的 SMART-FDIR（Fault Detection, Isolation and Recovery）系统利用人工智能技术开发了实时机载卫星故障诊断系统，使用模糊归纳推理完成故障检测工作。

日本新型固体火箭 Epsilon 使用了自主检测诊断系统，顺利达成快速响应发射目标，有效缩短发射准备时间。

▲Epsilon 与另两种机型火箭发射操作时间与成本对比

2009 年，北航陈璐璐等人为适应新一代运载火箭地面测发控系统一体化设计要求，将分布式故障诊断专家系统应用到火箭的发射决策中，提出了分系统和全局系统诊断级的“三表制”知识表达方法。

2011 年，电子科技大学尹茂君提出基于神经网络、测发数据链路和案例推理的复合故障诊断，达到了实时故障监测和离线事后评估的双重效果。

2020 年，北航陶飞教授提出数字孪生作为物理信息融合的关键技术，通过构建虚拟数字化模型，描述物理设备的运行状态，实现对物理对象的状态监测、实时映射、寿命预测、故障诊断等应用。

综上可见，随着当今人工智能、物联网、信息融合技术的快速发展，传统故障诊断技术开始与神经网络、虚拟现实技术相结合。提高运载火箭控制系统的故障诊断效率，满足高密度、高可靠性的任务需求，是当下火箭控制系统设计的关注重点。虽然可以通过大量的地面试验来不断提升技术的成熟度，但是运载火箭测试发射数据少、同型火箭试验次数少、故障数据样本小的控制系统故障诊断难题，仍是一个亟待解决的问题。

数字孪生概念的出现为解决上述问题提供了新的思路。数字孪生（Digital Twin），也被称作数字样机技术，是当前被广泛认可的一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、可视化物理世界的重要技术。数字孪生通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。

随着新一代信息技术和人工智能技术的快速发展，数字孪生技术得到了工业界和学术界广泛关注和研究，已在设计、生产、测试、故障检测等多个环节得到应用，也涌现出了一批国产自主可控的服务于数字孪生的仿真工具。

天目全数字实时仿真软件 SkyEye，是一款由迪捷软件自主研发的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模，搭建运载火箭仿真验证系统。

以某型号火箭为例，基于 SkyEye 的火箭仿真验证系统可模拟该火箭正常飞行模式下和故障飞行模式下的推演功能仿真。整套系统由根据火箭地面系统和箭上单机组成，可按功能划分为：地面测发控成员、控制组合成员、动力系统成员、惯性器件成员、弹道仿真成员、伺服机构成员。