智慧火箭數據獲取技術探索與展望

張 霞焉 寧郝宇星王小錠徐振亮

(中國運載火箭技術研究院研究發展部,北京 100076)

1 引言

隨著智慧火箭[1-3]概念的提出,運載火箭智能感知能力面臨新挑戰,數據獲取是智能感知的前提,準確獲取火箭自身的狀態是智能感知、智能飛行和故障診斷的依據。目前,運載火箭數據獲取手段尚不具備運載火箭智能感知的要求,存在測不全、測不準現象,亟需高效的先進數據獲取手段。

2 智能感知對數據獲取需求分析

2.1 數據獲取現狀及問題

運載火箭測量參數分為電量參數和非電量參數[4]。電量參數包括電壓、電流、開關量、計算機字等,主要由敏感器或計算機單機完成采集,傳送給箭上計算機或綜合處理器完成數據綜合和處理;非電量參數主要包括運載火箭在試驗和飛行過程中的各種環境參數、狀態參數和高空物理參數等,要完成非電量參數的檢測,需多種傳感器安裝布置在相應部位。非電量參數安裝物理性質可分為熱工量和機械量等,熱工量包括溫度、壓力、熱流、流速等,機械量包括應變、加速度、過載、噪聲等。運載火箭測量參數包括常規參數、結構健康監測和動力系統監測,如圖1 所示。常規參數（如溫度、振動、壓力等）大多采用點對點測量,電纜網眾多,可擴展性差;低溫推進劑溫度、羽流溫度、燃燒室溫度等極端溫度還需提升測量精度和測量效率,振動參數測量點少,精度和可靠性偏低且傳感器較大,需提升測量效率和可靠性。

圖1 運載火箭智能感知數據獲取關鍵問題和發展趨勢Fig.1 Key issues and development trends in acquisition of intelligent sensing data for launch vehicles

目前,結構系統和動力系統很多重要參數尚處于不可測狀態,亟需提升結構系統和動力系統感知能力。火箭大型結構如貯箱、蒙皮等健康監測,主要包括金屬結構疲勞裂紋、復合材料結構內分層、基體開裂、纖維斷裂、復合材料整體化構件的失效等主要損傷,以及引起這些損傷和失效的沖擊和載荷。結構健康監測非電量參數主要包括微裂紋、應變／應力等。目前,在微裂紋測量方面,火箭主要依據可靠性試驗,飛機通常在飛行結束后測量,微裂紋測量代價比較大,對微裂紋代價較小的測量也可以作為未來研究方向。而應變參數還處于測不準、測不全的狀態,如何無損測量結構應變參數,提升測量效率是重點研究的內容。

火箭發動機工作過程包括渦輪泵系統的高速轉動、閥門等控制元件的機械運動、供應管路中流體或氣體流動、各種換熱器中的熱交換、推力室／預燃室／燃氣發生器中的燃燒過程等。發動機在機械、流體及熱過程的作用下經受著強烈的振動、沖擊和熱負荷。結構、工作過程和載荷的復雜多樣導致了發動機失效模式的多樣性和健康監控的復雜性。發動機的工作參數主要通過各種傳感器來監測,除測量發動機各部段振動、沖擊、應變、溫度熱流等參數作為發動機環境參數外,還需測量渦輪泵出入口、燃燒室、發生器噴前壓力和溫度、泵出口／噴嘴入口流量、渦輪泵轉速等作為動力系統故障檢測算法的數據。動力系統工作在高溫、高壓、強沖擊／振動的惡劣環境中,傳感器安裝部位特殊,如何在極端惡劣的情況下無接觸、高精度、高速率獲取動力系統數據是動力系統實現智能故障診斷和重構的基礎。

2.2 智能數據獲取發展趨勢

傳統火箭的數據獲取手段基本成熟,未來運載火箭則面臨智能感知需求,需解決以下幾個問題。

（1）測量領域受限問題,比如結構應變參數目前還處于測不全的狀態,如何無損、高效、高精度測量結構應變參數,作為結構健康感知的可靠信息來源是亟需解決的問題。

（2）測量精度不高與可靠性不高的問題,如常規的振動、極限溫度等,目前不能滿足總體改進設計或故障定位需求。

（3）可擴展性差和可裁剪性不高的問題,一旦改動工作量較大,且電纜網重量重,可探索采用無線通信、無線傳感等無纜化、網絡化技術加以改進。

針對目前運載火箭存在的問題,可以預見智能化、網絡／無纜化和輕質高效化是今后發展的方向。

2.3 智能化需求

為提升運載火箭智能感知能力,可從測量手段、采集、數據傳輸及數據處理和分析等四個方面提升數據獲取的智能化程度:探索采用超聲、紅外、射頻、光學等測量手段,解決結構／動力健康檢測參數不可測、效率不高等問題;利用智能傳感器將信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能集成,提高數據獲取集成度從而提升測量效率和精度;采用更高測量頻率獲取更精準的狀態數據,并采用更高傳輸碼速率傳輸數據信息;采用基于人工智能的數據處理分析算法提升系統故障檢測和重構的能力。

2.4 網絡/無纜化需求

目前,在運載火箭艙段內,大多采用獨立的傳感器配備單獨的電纜連接至信息綜合采編設備上,如圖2 所示,再通過遙測系統下傳至地面,由于航天器參數采集數量眾多,導致電纜網復雜、重量重,在設備安裝布局過程中需要進行多輪的耦合迭代設計,過程復雜,布線、維修和維護都面臨著較大困難,降低了系統的可靠性。同樣,運載火箭艙間均通過各類電纜進行信息交互,通過分插來實現級間分離,這樣就不可避免地帶來電纜質量及使用分插所引入的不可靠因素,且不便于測試維護。

圖2 運載火箭數據獲取示意圖Fig.2 Schematic diagram of a launch vehicle data acquisition

在研制過程中,如設計發生更改,就要對已配套應用的電纜進行更改或重新生產電纜,還需完成電纜分支的調整以及新增電纜敷設等工作。為提高測量系統的可拓展性,減小系統復雜度,減輕電纜網重量,數據獲取手段需具備無纜化、網絡化、自組網等特點,自組網無線通信技術、無線傳能等技術是目前研究熱點。

2.5 輕質高效需求

我國現役運載火箭電氣系統存在規模大、集成化程度低、電纜網超重等現象,系統效率低、操作復雜、排故時間長等問題,嚴重影響運載能力,有必要開展運載火箭電氣系統高效輕質化技術研究。數據獲取作為布局在整個火箭全身的毛細血管,設備數量眾多,線路交錯復雜,測量效率不高,一個傳感器表征的范圍有限,想獲得整體狀態分布,就得增加測量布點,但測量點數量的增加帶來重量的增加,代價較大。提高系統測量效率,實現輕質高效化是運載火箭數據獲取的一個重要研究課題,可采用小型化、集成化、智能化等技術。

3 智慧火箭數據獲取方案及關鍵技術

結合需求分析和發展趨勢分析,突出數據獲取智能化、網絡化、無纜化、輕質高效化等特點,各子級綜合控制單元集成了采編／變化器、網絡交換、數據綜合與處理等功能,子級間指令數據傳輸仍采用有線高速數據總線。采用高集成度先進高性能微處理器的具有信息處理能力的智能傳感器,提升測量精度;采用光纖傳感網絡、柔性傳感等技術實現輕質高效化;采用光纖光柵傳感網絡測量溫度、壓力、結構應變等環境量,減少電纜網復雜度、傳感器設備數量;采用無線傳感網絡技術采集距離采編器遠的溫度、振動、沖擊等零散參數,減少電纜網重量,使之便于布局,無線通信匯聚總節點可布置在各級綜合控制器內,也可作為獨立通信設備與綜合控制器進行數據交互;無線傳感器能源傳輸可采用基于磁諧振的無線傳能充電方式從箭上充電設備處獲得電能,因無線傳能技術受傳輸距離、功耗、火焰及子級分離等因素限制,各子級均設立充電樁。某火箭數據獲取總體框架如圖3 所示。

圖3 某火箭數據獲取總體框架示意圖Fig.3 Overall scheme of data acquisition for a launch vehicle

圖4 光纖測量設備連接示意圖Fig.4 Optical fiber measurement equipment connection diagram

圖5 基于磁耦合諧振的無線攜能系統方案Fig.5 SWIPT scheme based on magnetic coupling resonance

3.1 結構健康監測

結構健康監測技術指利用傳感網絡探測結構主體在有負載和無負載的狀態下結構響應信號的變化,或者通過對結構主體長期的結構響應信號監測來實現對被監測工程結構健康狀況信息的讀取,再進行計算、分析和對比判斷主體結構性能的變化狀況,為智能系統提供結構健康的評判依據[5-7]。運載火箭上貯箱、發動機、蒙皮等結構的健康監測是實現運載火箭智能感知的關鍵,主要進行應力、應變等參數測量。表1 為多種結構健康監測方法的優缺點和應用場景,不同的結構健康監測技術所適合的監測量不一樣,需根據監測點選擇適用的監測方法。

表1 多種結構健康監測技術綜合特性對比Tab.1 Comparision of various structural health monitoring technologies

運載火箭大型復合材料結構可選用基于光纖光柵的健康監測技術;大面積重點金屬區域可選用基于超聲導波的健康監測技術;固體推進劑藥柱結構可采用基于阻抗法的健康監測技術;對于某些特定單點結構應變采集可采用無線應變傳感器進行組網采集。

3.2 光纖傳感網絡

光纖傳感器主要有以下幾種類型:（1）強度型光纖傳感器,檢測輸入、輸出光強的變化。系統結構簡單易于解調實現,但靈敏度較低,難以實現微弱信號的探測。（2）干涉型光纖傳感器,檢測光的相位信息變化。對環境溫度、應變及振動極為敏感,可實現高靈敏度感測,但干涉結構復用性差,僅適合單點測量。（3）分布式光纖傳感器,可實現連續性的分布式傳感,充分發揮“傳感合一”的優點,但通常需要高速調制解調設備進行大量的后期數據處理,延時較長,適合于非實時性測量。（4）光纖光柵傳感器[7],感測光纖光柵的波長變化或偏振態信息,測量結果不受光源功率波動、傳輸鏈路損耗起伏等因素影響,抗干擾能力強,可以在一根光纖上串聯多個光纖光柵構成傳感器網絡實現多點準分布式測量。如前文所述,運載火箭較適合采用基于光纖光柵的傳感網絡技術實現多點準分布式溫度、應變測量,利用多通道光纖光柵傳感網絡分析儀可以實時監測成百上千點的溫度和應變;而多臺光纖光柵傳感網絡分析儀組網可以實現超過一萬個點的溫度和應變的實時監測,從而及時發現和確定結構內的損傷位置及程度,并監視損傷區域的擴展。

3.3 無纜化

目前,運載火箭數據獲取所需的信息通路和供電通路大多是有線連接方式,要實現運載火箭無纜化連接,不僅需要實現通信無纜化,也要實現供電無纜化。通信無纜化指利用無線通信替代有線通信,供電無纜化指采用自備能源或無線傳能技術替代有線供電,自備能源一般指紐扣電池,但紐扣電池容量有限且裝配后不利于再次更換或能量補充,目前正探索可采用無線傳能的方式實現供電無纜化。只有通信和供電都實現無纜化連接才能真正實現運載火箭無纜化,不僅減輕線纜網重量,而且便于設備布局,提升系統可擴展性。

3.3.1 通信無纜化-無線傳感網絡技術

運載火箭內通信可劃分高實時信令傳輸、高吞吐圖像／視頻傳輸和傳感器網三種不同應用場景,控制系統總線數據速率可達Gbps 量級,屬于高實時信令傳輸,對可靠性、時延性等要求很高,因此不考慮無纜化;相機作為圖像／視頻采集設備,可作為傳感器網絡中的一個節點,可考慮采用無線傳感網絡技術實現通信無纜化。無線傳感網絡[8-10]一般由無線傳感器節點、網絡交換節點（集成在采編器中）等組成,網絡交換節點與無線傳感器節點進行雙向通信。無線傳感器節點布置在飛行器需要測量的各個位置,實時采集飛行器測量參數,如振動、沖擊、壓力、溫度等,每個無線傳感器節點都具備傳送和接收的能力。網絡交換節點發送傳感器工作模式指令至傳感器節點,同時收集所有無線傳感器節點測量數據,實現通信協議轉換,將轉換后數據經無線通信系統發送至地面。

在通信體制選擇上,目前在無線傳感器網絡中廣泛使用的無線通信方式有Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee 等[11,12],這幾種通信方式均較成熟。西安電子科技大學采用了超寬帶（UWB）技術實現艙內通信無纜化,在數據率、時延性能等方面較其他通信體制有優勢,但占用頻帶較寬且較其他方式耗電,適合艙內通信無纜化。不同通信方式無線傳感網絡比較如表2 所示。

表2 不同通信體制無線傳感網絡比較Tab.2 Comparision of different WSN communication protocols

3.3.2 供電無纜化-無線傳能技術

無線傳能技術（WPT）包括電磁感應、磁諧振、微波、激光等方式[13-16]。電磁感應式主要應用于對功率需求大、位置相對固定、傳輸距離很短的使用場景;磁諧振式是一種非輻射性的強磁場耦合,在以線圈為中心的一定空間范圍內,磁場能量以一定的頻率進行不向外輻射的反復移動,且不受中間障礙物的影響,是一種距離和功率均比較理想的無線電能傳輸方式,主要應用于存在遮擋物、傳輸距離為米級、對傳能效率要求高的使用場景;微波無線傳能方式主要應用于傳輸距離遠、對效率要求不高的自由空間環境;激光無線傳能易受到空氣和塵埃的散射,非線性效應明顯,對方向性要求高,并且不能穿過或繞過障礙物傳輸,可應用于太空無線傳能。

運載火箭無線傳能具有特殊性,無線傳能可分為箭內無線傳能及射前箭地無線傳能兩種方式。箭內無線傳能要求不受障礙物影響,傳輸距離達米級,傳輸效率盡量高,滿足電磁兼容要求,且要求一個發射源由多個傳感器接收,無指向性要求。綜合分析,基于磁諧振的WPT 是實現運載火箭箭內供電無纜化的關鍵技術。箭地供電無纜化主要用于射前給箭上蓄電池無線充電,從而減少射前轉電等操作,充電功率達千瓦級,可以通過擺桿等實現接觸式傳能,可選用電磁感應式無線傳能方式。

3.3.3 無線攜能通信

無線攜能通信（SWIPT）實現能量和通信并行傳輸,能量傳輸和信息傳輸采用不同頻段,各自工作互不干擾,具有較強的獨立性,能量和信息的傳輸效率也會大大提高。SWIPT 是將無線傳能與無線信息傳輸相結合的產物。高效的WPT 和可靠的SWIPT 接收機算法是SWIPT 的研究重點與難點。在SWIPT 系統中,接收天線接收電磁波信號,在進行信息解碼的同時,完成能量的采集,將電磁波中的部分能量轉化為直流電進行使用或存儲。基于磁耦合諧振的SWIPT 系統[17]可作為一種無纜化途徑。

基于磁耦合諧振的SWIPT 系統主要包括無線攜能發射單元和無線攜能接收與恢復單元兩個部分。前者用于產生振蕩信號,將無線信號FM 調制后傳輸,并隨著系統諧振頻率的變化實時調諧;后者負責接收、解調出通信信息,通過整流穩壓電路為負載供電與控制,同時實時監測以調整系統處于最佳傳輸狀態;二者之間通過雙線圈磁諧振耦合方式同步傳輸無線能量與信息,從而實現無線能量與信息的高效傳輸。

4 結束語

隨著人工智能技術的發展,智能導彈武器系統[18]、智慧火箭概念也隨之涌現,智能感知、智能控制、自主規劃等是這類智能復雜系統的重要特征,而智能數據獲取作為共性技術是實現智能感知和控制規劃的前提,未來智能數據獲取技術朝著智能化、網絡化和輕質高效化方向發展。其中,基于光纖光柵的傳感網絡、無線傳感網絡技術、無線傳能技術、智能結構健康監測技術等是數據獲取的共性關鍵技術,正逐步應用于智能復雜系統。