【前沿】让智慧火箭随机应变,新一代智能控制长什么样?

政务   2024-11-05 17:32   北京  

智慧火箭,是我国下一代运载火箭的发展雏形,它们将拥有随机应变的智慧大脑,带着人类的梦想迈向更深更远的太空。

那么,这一代火箭的“智慧大脑”究竟会是什么样?火箭院北京航天自动控制研究所正在进行新一代智慧火箭控制系统的探索研究。

该所重点实验室成员介绍,项目团队正致力于这一领域的研究探索,围绕本体适应性、环境适应性、扰动适应性和任务适应性四大维度,为火箭带来更多的随机应变能力。

智慧火箭控制系统的内涵是:

通过智能技术赋能,使运载火箭变得更聪明,主要技术指标得到显著提升,或具备以往所不具备的能力;并能通过学习和训练,使能力得到持续提升;从而适应来自本体、环境、扰动和任务的不确定性,完成复杂的航天运输任务。智慧火箭控制系统主要由“测试与发射、感知辨识、规划制导、姿态控制、执行以及学习与演进”等部分组成。





本体适应性:自主优化,减少束缚

传统火箭研制要开展大量的模态试验与仿真试验。通过智能控制技术,项目团队提出了“会学习的火箭”这一创新性的解决方案。团队认为,可以对同系列、多批次的历史仿真、飞行、测试数据进行融合,形成全生命周期数据,基于数据挖掘技术完成对火箭本体特征的认知和修正,进一步建立可不断演化的本体特征模型,提升火箭的终身学习能力。

“我们想借助深度学习、时序预测等先进算法,对火箭本体进行精准模拟与预测,实现本体特征预测能力的不断进化,从而降低对试验的依赖。”研究团队表示,通过这类设计理念,能够开启多元化的火箭研制方法,让火箭的设计与生产更加智能化、个性化。



环境适应性:精准辨识,灵活调整

火箭飞行环境复杂多变,充满未知与挑战。智慧火箭需具备强大的环境感知与自主决策能力以应对这些不确定性。

项目团队正在研究自然激励的气动参数在线精确辨识、非合作目标轨迹预测等技术,使其能够自主感知大气条件、空间碎片轨迹等环境变化,自主调整飞行轨迹等,甚至实现自入轨。这种环境适应性的能力,将确保火箭在复杂多变的飞行环境中安全、稳定地执行任务,从而提升运载效能。




扰动适应性:精准修正,自主应对

在火箭发射与飞行过程中,天气变化、非致命故障等扰动因素往往会对火箭姿态与轨迹产生不利影响。为了克服这些挑战,项目团队正积极研发基于模仿学习的主动减载、在线增量学习的自适应控制等技术,确保火箭在不确定扰动下仍能保持稳定飞行。

如今,项目团队在该领域的研究已有一定成果,例如在线增量学习的自适应控制方法已经在团队自研的垂直回收验证平台中完成了飞行验证,有效降低了风干扰、结构振动等不确定性扰动等对火箭飞行的影响。




任务适应性:智慧决策,精准送达

在追求高效与经济的太空探索中,任务适应性成为了智慧火箭不可或缺的能力。项目团队正致力于开发领域大模型驱动的多源数据融合、类脑神经网络高效评估与决策等算法研究,赋予火箭在线分析、自主评估与决策的智慧。具体而言,为提升飞行中随机应变能力,火箭要能够综合外部态势与环境、本体状态、扰动程度等信息,智慧决策,自主轨迹规划、优化燃料分配和容错控制策略,更好地完成任务。

通过这些探索,未来火箭将能够实时分析飞行数据,智能评估多个目的地的优先级。在一箭双星或一箭多星的过程中,通过在线自主分析与决策,决定先送哪一个“乘客”更合适,以此提升发射效率与成功率,降低发射成本,为太空探索开辟新的可能。





未来,随着这些智能控制技术的一步步应用,中国火箭会变得更加智慧更加灵活,它们将以更好的随机应变能力、任务执行能力与环境适应能力为人类太空探索事业贡献更多力量,推动人类向更加广阔的宇宙深处迈进。


部分资料来源:《火箭智能控制系统概论》

鸣谢:王昭磊

编辑:王海露

监制:王涑



中国运载火箭技术研究院
中国运载火箭技术研究院(简称"航天一院")创建于1957年11月16日,是我国最大的导弹武器和运载火箭研究、设计、试制、试验和生产基地,是中国航天事业的发祥地。第一任院长是钱学森。
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