包为民:航天发展面临的控制问题与挑战

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包为民。韩天琪摄影

伴随新一代全球通信卫星与空间互联网星座、月球探测等为代表的大规模空间设施建设及航天产业的快速发展,我们已经迈向太空经济时代。

相关产业规模快速增长,将成为社会经济发展的新动能、新趋势和新模式。

航天产业已经拓展到空间资源开发、能源利用、在轨制造、医药卫生、太空旅游等领域,其发展呈现出航班化、商业化、产业化、规模化等新特点。

利用太空和开发太空可以完成许多在地面做不到的事情,破解许多在地面解决不了的难题,将使突破空间的限制,突破地球资源的限制,开拓出新的家园和经济疆域。

未来航天发展趋势

人们对交通运输的速度和活动范围提出了更高要求。

例如人们对太空旅游关注度日益增长、“一小时全球达”已提上议事日程,高可靠、低成本进出空间的运输工具是实现以上需求的重要技术基础。

未来,的活动空间将从地球到月球,再到火星和太空,我们的视野将转向地月空间,地月空间将成为航天任务主要目的地和前哨基地。

航班化运输系统将是最重要工具,为人类走向深空、探知未知世界、认知宇宙、拓展人类文明提供更多可能。

深空探测业已成为各国竞逐热点,很多新兴航天国家不断加入到深空探测行列当中,其目标重点锁定月球、小行星和火星等三类天体,各类计划正在稳步实施。

中国在深空探测重大专项方面规划了火星、小行星和木星探测,尤其是无人月球探测四期规划,2030年前将安排四次探测任务,三期任务是在明年进行月球无人采样。

未来航天技术将聚焦四大能力,打造新兴产业,培育新动能,迎接太空经济。这四大能力是进出空间能力、探索空间能力、利用空间能力和开发空间能力。

进出空间能力将发展出低成本、高可靠进出空间的航天运输系统。

航天运输由三个系统组成,分别是一小时全球抵达运输+天地往返运输+空间转移运输,具有高可靠、低成本特性,能满足我国未来较长时间内空间探测任务需求,支撑航天任务和产业的发展。

探索空间能力将助力“觅音”计划。我们正在寻找另外的适宜人类居住的星球,通过这些探索来研究地球和生命起源。

我们设想在日地L2点,也就是150万公里地月引力平衡点的位置做一个干涉望远镜阵列,达到提高等效口径、分辨率的目的,搜寻近邻恒星的宜居带行星,确定行星轨道半径以及温度范围,实现寻找另一个地球的设想。

对航天控制的新需求与挑战

自由进出空间、探索浩瀚宇宙仍然需要解决诸多基础问题,如可靠性及成本问题、材料的极端服役与重复使用疲劳问题、动力与能源问题、高超声速气动力/热问题、多学科耦合与优化问题等,这些对航天控制也提出了高可靠、高品质、高精度、低成本、易维护等新需求。

对航天控制高可靠的需求要关注人类乘员与高价值载荷的安全、天地运输航班应急备降、不依赖地面指挥通信的自主飞行等。

对航天控制高品质的需求主要包括乘客的乘坐体验、驾驶员的操纵品质、适应复杂的热/过载/时间等约束,以及空间服务站、空间机器人的高效运行等。

对航天控制高精度的需求有飞行器精确交会、对接与抓捕等。对航天控制低成本的需求有商业可运行、大众可支付等。

对航天控制易维护的需求有航班化班次密集、运行间隔时间短,适应全球各地的发射/着陆场,地勤操作简单快捷等。

航天控制未来也面临着各种挑战,实现高可靠性方面,挑战在于可靠的飞行控制架构与软件、飞行控制的故障诊断隔离与恢复技术、快速的自主轨迹规划与任务规划。

实现高品质方面,跨域多模态的高品质飞行控制将是未来挑战。

高精度方面的挑战在于强适应高精度制导与姿态控制。实现易维护的挑战集中在快测试、易维护的电气系统上。

实现低成本,挑战在于多次重复使用的制导与控制、集成化标准化系统架构。

控制学科发展的思考

1948年,“控制论之父” 诺伯特·维纳发表《控制论》,将控制论看作是一门研究机器、生命、社会中控制和通信一般规律的科学。

通俗地说,控制论是研究动态系统在变化环境下如何保持平衡状态与稳定状态的科学。

1954年,钱学森发表《工程控制论》,用系统工程的视角,把控制理论与工程实践紧密结合起来,开创了一门新的技术科学,真正架起了控制理论和工程的桥梁。

现在航天控制技术还面临很多基础科学问题,包括极端条件带来的非线性与不确定性问题、陌生环境带来的知识归纳与自主适应问题、人机融合/智能控制带来的可信与安全性问题、不确定性带来的模型描述与有效调控问题等。

控制的基础是用数学工具处理信息,信息的传递都是为了更好地实现控制意图,而任何控制又都有赖于对控制目标信息反馈来实现,信息挖掘变得非常重要。

控制理论和方法主要面临的问题是应对各种非线性、不确定性和多元干扰,而对信息的智能处理将成为解决非线性、消除不确定性、抑制多元干扰等的有效方法。信息和控制的深度融合可能是解决未来发展中基础问题的重要方法。

世界航天已进入到大规模进出空间和地月空间经济的新时代,航班化航天运输是实现低成本、大规模进出空间的重要手段和支撑,重复使用航天运载系统是大幅降低航天运输成本的重要途径,未来的航天器也必将是可学习、可训练的智能航天器。

(作者系中国科学院院士,本报记者韩天琪采访整理自2019中国自动化大会)

《中国科学报》 (2019-12-05 第8版 装备制造)


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