2024年5月7日11时21分,长征六号丙点火起飞,首次飞行任务取得圆满成功。长六丙的控制系统于国内首次采用了全新的自适应增广控制技术,同时也是国际上继美国太空发射系统(Space Launch Slstem,SLS)外,第二个应用该技术的火箭。
什么是自适应增广控制技术?
自适应增广控制技术(Adaptive Augmentation Control,AAC)顾名思义,结合了自适应控制和增广控制的思想。自适应控制能够在线辨识系统当前的状态,自动调整控制器参数以适应系统的动态特性变化,增广控制则是通过引入额外的控制环节,增强系统的抗干扰能力。自适应增广控制结合了两者的优点,兼具「灵活」与「稳定」,特别适用于具有复杂动态特性、难以精确建模或参数频繁变化的系统。在运载火箭控制系统中,自适应增广控制可以提高火箭在面对复杂飞行环境,比如变化莫测的高空风,和潜在故障时的姿态控制精度和可靠性。
自适应增广控制技术有何优势?
传统的火箭控制系统大都采用预先设定的固定控制参数。在火箭设计阶段,根据预期的飞行环境和性能要求进行参数设定,预装到飞行软件中。但随着火箭飞行环境的复杂多变,商业化、低成本的需求日益强烈,大规模、短周期发射逐步提上日程,传统控制方法的问题也慢慢暴露出来。在此种大背景之下,兼具「灵活」与「稳定」性的自适应增广控制方法应运而生。
想象一下,一个刚拿到驾照的新手司机第一次开车上路,虽然教练已经将行驶途中可能会出现的情况以及处理措施都如数告知,但实际开车过程中,总是会有意外情况的发生。有了AAC的加持,就相当于给车辆配置了智能驾驶系统,它可以根据传感器收集到的行驶数据,实时判断当前状态,并自动调整「方向盘」「油门」「刹车」等,确保车辆安全地按照导航行驶。特别是当各种不确定性出现的时候,能够灵活反应,采取措施。如果车辆本身发生故障,也能通过增广控制稳住「方向盘」,确保安全。
自适应增广控制技术应用情况如何?
在上世纪末期,随着载人航天和先进天文观测技术的发展,对航天器姿态控制精度和可靠性提出了很高要求。基于AAC控制思想所衍生出的增益最优配置及自适应调节控制算法成功应用于包括哈勃望远镜、ETS卫星等航天器。美国国家航空航天局的「太空发射系统(SLS)」运载火箭由于体型巨大无法进行模态试验,于全球首次在运载火箭控制系统采用AAC技术,并于2023年成功首飞。
从2018年开始,航天科技集团八院长征六号研制团队就针对AAC控制技术开展了预先研究,在与多家高校的协作攻关下,成功完成了控制方法调研和方案确定,明确了AAC控制器的技术路线。
2020年,随着长六丙初样研制工作全面展开,AAC控制器也迎来了实战应用的机会。八院控制所运载火箭控制系统研制团队依托型号研制需求,完成了AAC控制器的初步应用方案设计,并创新性地突破了AAC频域分析技术,在国内首次获得了稳定、可靠的频域稳定性分析方法,填补了国内空白。
为了在尽可能贴近真实飞行环境的情况下验证算法的合理性,研制团队开展了大量验证飞行器试飞试验和半物理仿真试验,最终实现了AAC控制器在运载火箭上的首次应用。
【采写】南方+记者 王诗堃 徐勉
【通讯员】吴登辉 陈葆娟
【统筹】张志超 余佩
【作者】 王诗堃;徐勉
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