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      適應低溫火箭發(fā)射的長征五號系列運載火箭測發(fā)控架構(gòu)

      2021-06-19 08:46:38王雨萌孫兆牛田建宇陳振華
      導彈與航天運載技術(shù) 2021年3期
      關(guān)鍵詞:控系統(tǒng)長征火箭

      王雨萌,孫兆牛,連 盟,田建宇,陳振華

      (1. 北京航天自動控制研究所,北京,100854;2. 文昌航天發(fā)射場指控中心,文昌,571300)

      0 引 言

      長征五號運載火箭芯級使用液氫液氧低溫燃料發(fā)動機,具有“無毒、無污染、比沖高”等優(yōu)點,但低溫推進劑存在加注后停留時間短、發(fā)射流程不可逆、液氫加注后安全風險高等問題,這就要求火箭有更高的發(fā)射可靠性。作為中國目前運載能力最大的一款火箭,采用垂直組裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)運的“三垂”全新測發(fā)模式,射前-10 h開始液氧加注,-6 h開始液氫燃料加注,為保障人員安全,液氫加注開始測試發(fā)射控制系統(tǒng)(以下簡稱“測發(fā)控系統(tǒng)”)前端技術(shù)人員撤離至后端,測發(fā)控系統(tǒng)進入前端無人值守工作模式。相較于中國傳統(tǒng)運載型號,長征五號測發(fā)控系統(tǒng)射前前端撤離時間最早,設(shè)備加電時間最長。測發(fā)控系統(tǒng)從火箭低溫燃料加注到點火起飛,經(jīng)受最嚴苛的振動力學、熱環(huán)境、鹽霧環(huán)境考驗,所以對其可靠性、安全性都有更高的要求:必須具備有效的遠程控制監(jiān)測能力,遠程故障處理、隔離能力和系統(tǒng)重構(gòu)能力,才能解決-6 h前端無人值守難題,適應大型低溫液體火箭快速、準時地發(fā)射[1]。

      1 大型火箭測發(fā)控系統(tǒng)

      測試發(fā)射控制系統(tǒng)是對控制系統(tǒng)性能及整體配合性及協(xié)調(diào)性進行綜合測試,對發(fā)射條件檢查和準備,對火箭按命令進行點火發(fā)射的系統(tǒng)。

      1.1 國外先進運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)構(gòu)架

      宇宙神5系列火箭和阿里安5系列火箭采用“三垂”的測發(fā)模式,德爾塔Ⅳ火箭采用“兩平一垂”測發(fā)模式(水平組裝、水平測試、垂直轉(zhuǎn)運),SpaceX公司研制的獵鷹9火箭采用“三平”測發(fā)模式(水平組裝、水平測試、水平轉(zhuǎn)運)。最早射前-4.5 h加注液氫液氧,開始前端無人值守工作模式。這4款火箭測發(fā)控系統(tǒng)均設(shè)計了自動化試驗與監(jiān)控軟件系統(tǒng),地面設(shè)備以工業(yè)計算機和工作站為主,操作人員通過PC機向火箭與發(fā)控臺發(fā)送指令,射前采用全自動同步程序技術(shù),執(zhí)行火箭發(fā)射前全自動測試流程和最后操作[2,3]。

      1.2 長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)架構(gòu)

      長征五號系列運載火箭采用“三垂”測發(fā)模式,測發(fā)控系統(tǒng)采用前端加電、執(zhí)行設(shè)備+以太網(wǎng)+后端控制、實時監(jiān)控的遠程發(fā)射架構(gòu)。-6 h開始前端無人值守工作模式,-3 h進入射前自動測試流程,整個發(fā)射流程由后端主控計算機的測試軟件控制,向火箭與后端發(fā)控臺發(fā)送控制指令,實行全自動測試流程;后端可實時監(jiān)測各種數(shù)據(jù)和狀態(tài),判斷箭體和前端設(shè)備的工作情況。

      通過與國外部分主流大型運載火箭“三垂”測發(fā)模式,以及遠程控制、全自動測試等測發(fā)控系統(tǒng)架構(gòu)的對比,長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)已達到國際一流技術(shù)水平。

      2 長征五號系列火箭高可靠測發(fā)控系統(tǒng)

      2.1 系統(tǒng)組成

      長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)包括:前端測發(fā)控設(shè)備、后端測發(fā)控設(shè)備以及測發(fā)控軟件,見圖1,前端設(shè)備接收箭上的狀態(tài)反饋及總線數(shù)據(jù),發(fā)送至后端實時顯示,測發(fā)軟件執(zhí)行手動及自動測試流程。與傳統(tǒng)運載火箭相比,在活動發(fā)射平臺底部設(shè)置了前端設(shè)備間,空間狹小,前端設(shè)備放置其中,要求測發(fā)控系統(tǒng)有更高的集成化設(shè)計。

      圖1 長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)組成Fig.1 The Composition Block Diagram of Test Launch Control System in LM-5

      2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

      2.2.1 遠程控制、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

      遠程控制技術(shù)、遠程狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要用于解決長征五號火箭-6 h前端無人值守難題,由后端通過以太網(wǎng)對前端設(shè)備和火箭狀態(tài)進行控制和監(jiān)測。實現(xiàn)遠程控制的關(guān)鍵是PLC發(fā)控系統(tǒng),采用高容錯變結(jié)構(gòu)熱備冗余設(shè)計,由后端控制臺中熱備冗余的主、備PLC CPU站(運行控制邏輯運算)和前后端各兩套并聯(lián)工作的PLC I/O站(接收按鈕或自動發(fā)控指令,輸出邏輯運算結(jié)果,接收狀態(tài)信號)組成,如圖2所示,主控計算機甲機工作,乙機為備機,虛擬顯示計算機并聯(lián)工作;PLC發(fā)控系統(tǒng)通信協(xié)議如圖3所示;系統(tǒng)輸入、反饋信號流程圖見圖4。

      圖2 PLC發(fā)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.2 The Composition Block Diagram of PLC Launch and Control System

      圖3 熱備冗余PLC發(fā)控系統(tǒng)通信協(xié)議Fig.3 Hot-standby Redundancy Communication Protocol Diagram of PLC Launch and Control System

      圖4 PLC發(fā)控系統(tǒng)輸入反饋信號流程Fig.4 Input Signal and Feedback Signal of the Flow Chart that PLC Launch and Control System

      熱備冗余PLC發(fā)控系統(tǒng)采用手動控制與自動控制并聯(lián)的方式實現(xiàn)控制通道的冗余,保障控制指令可靠發(fā)出,如圖5所示。系統(tǒng)測試控制時主要使用自動流程控制,在點火等關(guān)鍵操作上使用手動控制[4~6]。

      圖5 PLC發(fā)控程序設(shè)計示意Fig.5 Schematic Diagram of the PLC Launch and Control System Design

      后端發(fā)控臺、虛擬顯示計算機等實時監(jiān)測前端設(shè)備以及箭上狀態(tài)反饋、總線信號等重要信息,并采用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)自動判讀技術(shù),自動濾除偶發(fā)干擾信號,通過后端檢測計算機軟件對箭地模擬量進行實時判讀,超差報錯,提高了測試過程中對系統(tǒng)實時監(jiān)測的工作效率,為故障診斷和處理爭取時間,向智慧型火箭的系統(tǒng)自動故障診斷作出了第1步推進。

      在以太網(wǎng)故障,測發(fā)控系統(tǒng)前后端通信斷開時,可通過前后端應急設(shè)備完成箭機開算、點火等重要信號的發(fā)送。應急設(shè)備還為測量系統(tǒng)、動力測控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)提供了前后端重要信號的應急通路。

      遠程控制還包括地面電源遠程調(diào)壓技術(shù),遠程中斷前端設(shè)備供電、設(shè)備切換技術(shù),中頻電源遠程復位技術(shù)。能夠完全適應長征五號系列運載火箭發(fā)射任務-6 h前端無人值守的嚴苛工作狀態(tài)。

      2.2.2 高可靠多余度測發(fā)控技術(shù)

      由于長征五號系列運載火箭用于執(zhí)行國家重大發(fā)射任務,因此對全箭包括測發(fā)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計要求極高。測發(fā)控系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的設(shè)備采用BIT技術(shù)(內(nèi)部檢測并隔離故障的能力),具備上電自檢的功能,保證設(shè)備工作正常,方可參加系統(tǒng)測試及火箭發(fā)射任務。

      為消除影響成敗的單點故障,測發(fā)控系統(tǒng)進行了包括元器件級、模件級、單機級冗余設(shè)計,大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。測發(fā)控系統(tǒng)可靠性框圖如圖6所示。

      圖6 測發(fā)控系統(tǒng)可靠性框圖Fig.6 Reliability Block Diagram of Test Launch Control System

      可靠性計算公式如下:

      式中λs為產(chǎn)品總的失效率;λi為單個元件的失效率;t為任務時間;R為任務可靠度,推導出各單機任務可靠度。計算系統(tǒng)總失效率sλ:將測發(fā)控系統(tǒng)各單機的產(chǎn)品失效率λi代入上述公式,可推導出系統(tǒng)的任務可靠度預計值R=0.9965,高于中國傳統(tǒng)火箭(中國各火箭測發(fā)控系統(tǒng)任務可靠度要求值見表1)。

      表1 中國各火箭測發(fā)控系統(tǒng)任務可靠度要求值Tab.1 Reliability Requirements of Test Launch Control System in Various Domestic Launch Vehicle

      測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時的系統(tǒng)重構(gòu)按不同的冗余設(shè)計模式分為以下幾種。

      a)元器件故障處理。

      點火、緊急關(guān)機等重要信號通路和應急控制通路均采用三取二冗余設(shè)計(見圖7),任一元器件出現(xiàn)故障(圖7中假設(shè)K1故障),都不影響發(fā)射流程的繼續(xù),最大程度地保證了關(guān)鍵信號在地面設(shè)備異常狀態(tài)下正常輸出的能力。

      圖7 三取二冗余設(shè)計Fig.7 Two Out of Three Redundancy Design of Important Signal Path

      b)模塊故障重構(gòu)。

      PLC發(fā)控系統(tǒng)屬模塊級冗余設(shè)計:兩套熱備冗余的PLC CPU站中,主CPU默認為激活狀態(tài),備CPU與激活狀態(tài)CPU實時數(shù)據(jù)同步,備CPU可在主CPU故障時實現(xiàn)無縫切換。前后端PLC I/O組合任一發(fā)生故障,后端發(fā)控臺可遠程斷前后端一套故障PLC I/O組合電源(前后端兩套任意組合),對其作出故障隔離處理,完成系統(tǒng)重構(gòu),如圖8所示,僅使用前后端一套PLC I/O組合進行后續(xù)測試。

      圖8 PLC發(fā)控系統(tǒng)故障后系統(tǒng)重構(gòu)Fig.8 System Reconfiguration after PLC Launch and Control System Broke Down

      c)單機故障重構(gòu)。

      單機冗余設(shè)計分為雙機并聯(lián)冗余和主副機熱備冗余,在其中1臺發(fā)生故障時,可采用后端遠程控制前后端設(shè)備主副機無縫切換、隔離故障設(shè)備、系統(tǒng)重構(gòu)的故障處理方式使測試流程繼續(xù)。測發(fā)控系統(tǒng)典型單機冗余設(shè)計箭地計算機故障重構(gòu)見圖9,地面電源和測試系統(tǒng)故障重構(gòu)見圖10。

      圖9 箭地計算機故障后重構(gòu)流程Fig.9 Flow Chart of Reconfiguration after the Ground Test Computer Broke Down

      圖10 測試系統(tǒng)、地面電源故障重構(gòu)流程Fig.10 Flow of Reconfiguration in Test System and Ground Power Broke Down

      長征五號系列運載火箭在某次發(fā)射場測試任務中發(fā)生前端地面直流電源故障,主副機切換事件。切換過程中及切換后,測發(fā)控系統(tǒng)和箭上控制系統(tǒng)狀態(tài)及各項參數(shù)正常,電源切換過程中電壓曲線如圖11所示。電源副機電壓較主機低1 V,電源主副機切換前后輸出電壓下降1 V,但總體平穩(wěn),沒有突然升高或降低,保持在單機設(shè)備工作電壓范圍之內(nèi)。

      圖11 地面電源切換時的電壓波形Fig.11 Voltage Waveform when Switching of Ground Power

      因此得出結(jié)論:在地面直流電源主機發(fā)生故障時,備機可無縫切換并保持設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定。本次故障處理以實踐驗證了長征五號火箭高可靠多余度測發(fā)控系統(tǒng)的故障設(shè)備隔離、系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)的有效性。

      在真實發(fā)射時,測發(fā)控系統(tǒng)在發(fā)射場均配備了元器件、模塊及整機備件,并做了詳細的故障預案:在設(shè)備故障,能夠進行更換處理的時機,可由操作人員在現(xiàn)場對故障件進行更換。

      3 結(jié)束語

      長征五號系列運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備以高可靠、強適應能力的特點,一套地面設(shè)備能夠兼顧探月三期、火星探測、載人空間站的測試發(fā)控需求,即適應長征五號基本型及B型火箭承擔的多種任務需求,并已經(jīng)過多次國家重大發(fā)射任務實戰(zhàn)驗證,具有較強的創(chuàng)新性、實用性和通用性,顯著提高了工作效率和經(jīng)濟效益,達到了國內(nèi)外先進水平,且部分單機與其他運載型號實現(xiàn)了通用化設(shè)計。

      其搭建的智能化平臺對于其它運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)的更新改造等普遍適用,具有重大意義:采取大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)建集成一體化智慧火箭平臺,實現(xiàn)測發(fā)控系統(tǒng)全部測試數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)在線分析判讀,實現(xiàn)測發(fā)控系統(tǒng)智能故障診斷,故障自動處理及系統(tǒng)重構(gòu)。

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