了得網工業技術_運載火箭控制繫統實踐

內容簡介

本書是作者結合了數十年的工程經驗，期望形成較為全面而實用的、針對運載火箭控制繫統的“*實踐”。運載火箭的控制繫統和發動機的故障，曾經是火箭飛行失敗的主要原因。而隨著控制技術的快速發展及控制設備整體水平的提高，以及在經驗教訓方面有效的總結和舉一反三，控制繫統的故障率呈顯著下降的趨勢，這不僅在國外，在國內也成為非常明顯的趨勢，控制繫統還逐漸被要求為要能夠在其他繫統故障的情況下，盡可能適應或者彌補損失

作者簡介

宋征宇，男，漢族，1970年生，博士學歷，中共黨員，歷任多型運載火箭副總師、總設計師，在航天控制基礎理論和新型控制繫統的研究方面做出了繫統性和創新性貢獻，目前主要從事新型運載火箭的研制以及航天智能自主技術的研究，是國家“萬人計劃”科技創新領軍人纔、國際宇航科學院院士。獲國家科技進步特等獎1項，國建科技進步1等獎1項，國防科技進步獎和軍隊科技進步獎10餘項。

目錄第1章概述 ………………………………………………………… 1 1.1 航天發射的風險 ……………………………………………… 3 1.1.1 失效原因和失效模式 …………………………………… 3 1.1.2 世界範圍內失效問題的統計和趨勢 …………………… 6 1.2 國外實踐的研究成果 ………………………………… 20 1.2.1 美國航天機構和企業的研究成果 …………………… 20 1.2.2 歐洲空間局的經驗教訓繫統 ………………………… 30 1.2.3 日本宇宙航空研究開發機構的風險控制與經驗教訓繫統 …………………………………………………… 32 參考文獻 …………………………………………………………… 34 第2章航天繫統工程技術 ………………………………………… 39 2.1 航天繫統工程簡介 ………………………………………… 40 2.1.1 繫統工程的基本概念及其在 GNC中的應用 ………… 40 2.1.2 GNC技術在項目管理中的應用 ……………………… 46 2.2 基於模型的繫統工程 ……………………………………… 49 2.2.1 MBSE的基本概念 …………………………………… 49 2.2.2 MBSE的實現 ………………………………………… 52 2.3 商業航天的挑戰 …………………………………………… 58 2.4 中國航天繫統工程的實踐 ………………………………… 61 2.4.1 雙五條歸零 …………………………………………… 61 2.4.2 載人航天運載火箭軟件工程化實踐 ………………… 65 參考文獻 …………………………………………………………… 81 第3章繫統設計 …………………………………………………… 84 3.1 繫統設計的基本流程 ……………………………………… 85 3.1.1 需求的分解 …………………………………………… 85 3.1.2 設計迭代 ……………………………………………… 88 3.2 繫統設計的基本要素 ……………………………………… 92 前言

目錄第1章概述 ………………………………………………………… 1 1.1 航天發射的風險 ……………………………………………… 3 1.1.1 失效原因和失效模式 …………………………………… 3 1.1.2 世界範圍內失效問題的統計和趨勢 …………………… 6 1.2 國外實踐的研究成果 ………………………………… 20 1.2.1 美國航天機構和企業的研究成果 …………………… 20 1.2.2 歐洲空間局的經驗教訓繫統 ………………………… 30 1.2.3 日本宇宙航空研究開發機構的風險控制與經驗教訓繫統 …………………………………………………… 32 參考文獻 …………………………………………………………… 34 第2章航天繫統工程技術 ………………………………………… 39 2.1 航天繫統工程簡介 ………………………………………… 40 2.1.1 繫統工程的基本概念及其在 GNC中的應用 ………… 40 2.1.2 GNC技術在項目管理中的應用 ……………………… 46 2.2 基於模型的繫統工程 ……………………………………… 49 2.2.1 MBSE的基本概念 …………………………………… 49 2.2.2 MBSE的實現 ………………………………………… 52 2.3 商業航天的挑戰 …………………………………………… 58 2.4 中國航天繫統工程的實踐 ………………………………… 61 2.4.1 雙五條歸零 …………………………………………… 61 2.4.2 載人航天運載火箭軟件工程化實踐 ………………… 65 參考文獻 …………………………………………………………… 81 第3章繫統設計 …………………………………………………… 84 3.1 繫統設計的基本流程 ……………………………………… 85 3.1.1 需求的分解 …………………………………………… 85 3.1.2 設計迭代 ……………………………………………… 88 3.2 繫統設計的基本要素 ……………………………………… 92 前言
·8 ·3.2.1 實踐 ……………………………………………… 92 3.2.2 基於風險的設計與風險控制 ………………………… 96 3.3 案例分析 ………………………………………………… 101 3.3.1 迭代制導對故障的適應性 …………………………… 101 3.3.2 姿控繫統的魯棒性設計 ……………………………… 112 3.3.3 電氣繫統設計 ………………………………………… 131 參考文獻 ………………………………………………………… 153 第4章產品實現 ………………………………………………… 155 4.1 產品實現的基本流程 ……………………………………… 156 4.2 產品實現的基本要素 ……………………………………… 159 4.2.1 實踐 ……………………………………………… 159 4.2.2 供電繫統的設計考慮 ……………………………… 161 4.2.3 面向制造的設計 ……………………………………… 163 4.3 案例分析 …………………………………………………… 168 4.3.1 抗干擾設計 …………………………………………… 168 4.3.2 瞬態過程的控制 ……………………………………… 199 4.3.3 潛通路的分析 ………………………………………… 228 4.3.4 工藝的優化設計 ……………………………………… 243 參考文獻 ………………………………………………………… 267 第5章驗證與確認 ……………………………………………… 275 5.1 驗證與確認的基本流程 …………………………………… 276 5.2 驗證與確認的基本要素 …………………………………… 278 5.2.1 實踐 ……………………………………………… 278 5.2.2 產品檢查/檢驗 ……………………………………… 282 5.2.3 像飛行一樣測試 ……………………………………… 285 5.3 案例分析 …………………………………………………… 287 5.3.1 試驗方案的確定 ……………………………………… 287 5.3.2 數據的分析 …………………………………………… 313 參考文獻 ………………………………………………………… 333 附錄 NASAGNC實踐 ……………………………………… 336 參考文獻 ………………………………………………………… 354

前言

前言進入21世紀,航天技術得到了迅猛的發展,每年火箭的發射數量也大幅度地增加,但航天發射仍然是一件高風險的事件。造成這種高風險的原因,主要體現在以下幾個方面。首先,航天技術的成熟度與其他行業相比,仍處在一個相對較低的水平。“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠生活在搖籃中”,人類首先要解決在地球上的生存問題,然後纔會逐步考慮進入太空,進入太空所涉及的技術比一般地面的工程技術面臨的挑戰更大,為此工程師研發了許多先進的技術。這些技術越先進,說明其得到廣泛應用的場合越少,其技術的成熟度也相對較低,非常容易發生故障。其次,空間環境條件復雜、惡劣,不確定因素眾多,這增加了航天飛行產品設計的難度。例如,上升段飛行中大量級的振動,白天與夜晚交替的極限高溫與低溫條件、嚴酷的輻射環境,以及未知的空間環境等,這些對設計人員均是挑戰。再次,在地面試驗中難以真實地模擬飛行中的工況。這一方面是由於空間環境不確定因素多,另一方面,即使在一定程度上了解這些因素,也因手段或設施的限制而難以開展驗證。例如,火箭箭體結構的模態特性,在地面試驗中就無法模擬雙端自由狀態下的條件。這些都影響了地面試驗驗證的有效性。除了技術因素外,還有一些其他因素會對安全產生顯著的影響。航天技術目前僅掌握在少數國家和機構手中,並沒有像其他工業 (例如汽車等)技術形成廣泛的應用,從事這項工作的人員相對較少,這影響了航天技術的發展。此外,航天界似乎並沒有真正地吸取過去的經驗教訓,重復性的問題還是時有發生。這些通過實踐獲取的知識,沒有能夠被繫統性地進行總結。事實上,由於故障案例往往非常具體且零散,繫統總結的難度也較大,而成功的經驗也由前言

前言進入21世紀,航天技術得到了迅猛的發展,每年火箭的發射數量也大幅度地增加,但航天發射仍然是一件高風險的事件。造成這種高風險的原因,主要體現在以下幾個方面。首先,航天技術的成熟度與其他行業相比,仍處在一個相對較低的水平。“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠生活在搖籃中”,人類首先要解決在地球上的生存問題,然後纔會逐步考慮進入太空,進入太空所涉及的技術比一般地面的工程技術面臨的挑戰更大,為此工程師研發了許多先進的技術。這些技術越先進,說明其得到廣泛應用的場合越少,其技術的成熟度也相對較低,非常容易發生故障。其次,空間環境條件復雜、惡劣,不確定因素眾多,這增加了航天飛行產品設計的難度。例如,上升段飛行中大量級的振動,白天與夜晚交替的極限高溫與低溫條件、嚴酷的輻射環境,以及未知的空間環境等,這些對設計人員均是挑戰。再次,在地面試驗中難以真實地模擬飛行中的工況。這一方面是由於空間環境不確定因素多,另一方面,即使在一定程度上了解這些因素,也因手段或設施的限制而難以開展驗證。例如,火箭箭體結構的模態特性,在地面試驗中就無法模擬雙端自由狀態下的條件。這些都影響了地面試驗驗證的有效性。除了技術因素外,還有一些其他因素會對安全產生顯著的影響。航天技術目前僅掌握在少數國家和機構手中,並沒有像其他工業 (例如汽車等)技術形成廣泛的應用,從事這項工作的人員相對較少,這影響了航天技術的發展。此外,航天界似乎並沒有真正地吸取過去的經驗教訓,重復性的問題還是時有發生。這些通過實踐獲取的知識,沒有能夠被繫統性地進行總結。事實上,由於故障案例往往非常具體且零散,繫統總結的難度也較大,而成功的經驗也由前言
·4 · 於容易被忽視而導致 “成功之後的失敗”。本書是作者結合數十年的工程經驗,期望形成較為全面而實用、針對運載火箭控制繫統的 “實踐”。運載火箭的控制繫統和發動機的故障,曾經是火箭飛行失敗的主要原因。而隨著控制技術的快速發展及控制設備整體水平的提高,以及在經驗教訓方面有效的總結和舉一反三,控制繫統的故障率呈顯著下降的趨勢;這不僅在國外,在國內也成為非常明顯的趨勢。控制繫統還逐漸被要求能夠在其他繫統出現故障的情況下,盡可能適應或者彌補損失。因此,對控制繫統實踐的總結,有利於火箭的其他分繫統借鋻參考。世界各國的航天界均非常重視實踐,各國所遵循的標準, 可以理解為實踐的總結和提煉。中國航天界針對產品在繫統級測試至飛行中暴露出來的故障而制定的 “故障歸零五條標準”,是對國際航天界的重大貢獻,且已形成國際標準。 “故障歸零五條標準” 中的舉一反三,就是要求全體設計和管理隊伍要針對某具體問題的原因查找是否也存在於自身負責的項目中。在美國,NASA 以及空軍均有經驗教訓 (lessonslearned)和實踐 (bestpractice)的總結,有些總結是隨著新案例的出現而持續增加的,也有一些是針對某個具體項目而進行的專項總結;美國的航天公司也有類似的管理方法。此外,歐洲空間局 (ESA)、日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA)等也都有相應的質量檢查活動。盡管如此,在大多數的總結中,或者問題十分具體,使得讀者難以觸類旁通;或者是高度提煉的描述,難以形成啟發性的思考和共鳴。本書共分為5章。在第1章的概述中,主要對世界範圍內航天發射失效問題的分布和發展趨勢進行了統計分析,並簡要介紹了國外同行在實踐方面所開展的工作和部分成果。從近年來的各種故障案例看,火箭的整體可靠性在提升,控制繫統的故障比例也逐漸下降;但低層次問題,例如極性錯誤等,仍時有發生。由於控制繫統的重要性,這些低層次質量問題也可能造成任務徹底失敗,因此值得關注。第2章介紹航天繫統工程技術。航天繫統工程,是在航天項目運載火箭控制繫統實踐
·5 · 實踐中總結出來的一整套從管理到開發、生產、運營、維護等全生命周期的各類活動的行為規範。由於各個國家在航天繫統工程的開發中幾乎都處於相對獨立的狀態,因此各國的繫統工程技術不盡相同。本章首先簡要介紹了航天繫統工程的基本概念;隨後將基於模型的航天繫統工程作為特色的繫統工程活動之一進行了介紹; 接下來討論了新形勢下商業航天對繫統工程技術的影響;後對中國在航天繫統工程方面的實踐情況進行了簡要介紹,包括載人航天運載火箭軟件研發過程中的實踐。之所以介紹航天繫統工程技術,是因為這項技術本身就可以作為頂層設計的實踐。從第3章到第 5 章,分別就控制繫統的繫統設計、產品實現、驗證與確認這三個方面的實踐進行總結。每個章節的結構布局基本類似,首先介紹這一階段工作的基本流程,隨後總結出繫統性的基本要素,這些要素中包含作者總結出的針對這一階段工作的佳實踐;隨後選擇了一些案例進行分析,可以看作是對實踐中部分內容進行的擴展和例化的詳細介紹。這些案例均是作者在工作中所遇到問題的提煉,看上去並非是復雜的技術問題,但均可小中見大,不僅問題本身容易被人忽略,其背後蘊含的經驗教訓也常被輕視,進而給項目帶來不期望的煩擾。本書期望在高度概括的設計準則和詳細具體的案例分析之間做好平衡,通過簡潔而啟發性的介紹,使得讀者真正汲取經驗教訓。由於作者水平有限,同時技術的發展可能使得問題的傾向和層次發生不斷的變化,因此對實踐的總結必然不是十分完善。但讀者若能從中真正避免類似問題的發生,或者若干年後重新回顧,發現本書的內容已成為公認的常識,此類問題發生的情況已經越來越少或幾乎不再發生,這也將是本書的價值所在。宋征宇 2018年小暑

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