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重庆大学柴毅教授:航天发射系统运行安全性评估研究进展与挑战

已有 223 次阅读 2019-11-14 17:49 |系统分类:博客资讯


航天发射系统运行安全性是指:航天产品进入发射场后直至火箭点火发射期间,发射系统保证航天员、航天产品不受损害的综合性能,即航天发射过程中不发生导致人员伤亡、健康恶化、设备财产损失以及环境污染等意外事件的能力

航天发射系统运行安全性分析与评估研究,可提高航天发射过程的安全性以及避免重大事故的应急处置能力目前,大多数航天发射系统安全主要靠实践中积累形成的一些安全管理规章制度来保证,明确了发射安全要求的基本原则,有效地规范了发射安全管理工作。然而,随着航天技术的发展,特别是考虑到21世纪低成本、安全、快速、高效的太空进入能力的需求航天发射系统亟需建立起运行安全分析的理论和方法例如

1载人航天紧急撤离和零高度逃逸救生的判断、控制和指挥能力

2深空探测需具备无毒无污染地发射新一代大型运载火箭的能力

3)军事航天快速、零窗口地实施检修、加注推进剂、火箭组装等;

……

面对这些任务安全规章制度难以满足实时性和快速性要求,因此亟需提航天发射系统运行安全自主分析和评估能力,这是作为现代航天发射控制指挥与决策系统的核心,是保证航天发射安全运行的基础

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载人航天:紧急撤离和零高度逃逸救生的判断、控制和指挥能力。


深空探测:需具备无毒无污染地发射新一代大型运载火箭的能力。



军事航天:快速、零窗口地实施检修、加注推进剂、火箭组装等。

为保证航天发射任务的顺利完成,有必要开展航天发射系统运行安全分析与评估技术的探索与研究。航天工程虽历经半个多世纪的探索,取得了长足的发展,但航天发射任务失败的案例仍时有发生。因射前燃料加注出现安全问题,导致发射任务失败就有4次之多,而这仅仅只是众多安全性事故公开报道的一小部分,另有在发射过程中面临的可能不止一次的故障、异常运行公开等,甚至导致人员损伤、环境污染与发射任务次数推迟等安全事故。此外因航天发射工程在国内外政治、国民经济、社会影响等方面的特殊地位,在线检测、识别、定位设备隐患、系统故障以及误操作等危险因素,成为航天发射系统运行安全必不可少的工作,即迫使现代航天发射系统必须具有保障高准确性与高安全性等的能力因此,开展系统运行安全评估研究具有重大的理论价值与现实意义


如何构建航天发射系统高准确性与高安全性等的能力目前航天发射系统运行安全性分析与评估的研究主要包括3个方面:1)实时分析影响航天发射运行安全性的各子系统的运行性能,如射前燃料加注与补加、测试点火发射升空、蛇猴废物燃料处置和射后飞行态势感知等;2)及时分析与识别异常运行工况,评估运载火箭在发射前后的现场安全态势以及系统运行的安全性能;3)构建完善的组织救援体系和处置方案,提高航天发射安全的应急保障能力。然而,就目前研究来看,航天发射流程极为复杂、状态变化多端、检测的关键参数众多、需要诊断的故障模式多,给测发控指挥人员带来了很大的故障在线检测与诊断负担、异常运行公开发现与识别负担、以及运行安全分析与评估负担,进而增加了流程决策的压力。

因此开展航天发射系统运行安全性分析与评估研究构建现代化、自动化、智能化地航天发射系统将测发控指挥人员从繁重的数据判读与故障判断中解放出来并为其提供有效的辅助决策的信息完善航天发射系统运行安全性评估体系建设将是航天发射系统未来发展的一个方向具体地,就我国现有的航天发射系统来看,系统运行安全性评估所具有的挑战性问题主要表现在以下几方面

1) 系统极度复杂:现代航天发射系统是包含设施设备、人员、材料等在内的复杂系统,具有试验设备类型繁多、技术复杂、集成度高、投资大、使用周期长、环境影响大、涉及部门人员众多以及指挥操作流程复杂等特点,存在层次多、因素多和类型多等问题

2) 决策风险性极大:高风险是航天发射场的突出特点,且其由很多具有不同功能和物理机制并在行为上相互耦合、强烈相关的子系统组成,任何一个设备或系统的异常或故障,甚至微小的失误和缺陷就可能导致安全事故,导致航天工程系统具有许多其它复杂系统不常见的风险性,使得其安全裕度的可操作区间极其有限, 极易引发安全事故

3) 先验知识信息少:航天发射系统本身是一种间歇使用、长期维护的系统,且每次任务都有新研制的试验产品(卫星、飞船、空间站等,以及运载火箭和发射设施)被应用在各航天发射任务中,常出现新的异常与故障, 使得航天工程具有明显的探索性、试验性等特点,表现出单台次、小批量、使用环境恶劣等特点,故障与异常运行工况先验知识信息很少;

4) 高准确性与实时性:在现代航天工程中, 发射窗口精度要求极高,最长不到2小时, 最短20-30(“零窗口”).需要在航天发射过程中尽早发现故障与异常, 尽快诊断故障与识别异常,及时决策处置, 要达到这一要求,就要求系统对运行过程做到早发现、早辨识、早规避、早解决. 再者,航天发射系统故障危害巨大, 对安全性、可靠性有着苛刻的要求,需要研究系统运行安全性的变化趋势,实时辨识系统运行中的异常工况与故障,以采取高效准确地维修策略。

目前,关于航天发射系统运行安全性分析与评估方法的研究才刚刚起步。本文在概述现代航天发射系统的基础上,回顾了系统安全性研究发展历程,尝试阐述航天发射系统运行安全性评估的内涵。综述了航天发射系统运行故障检测与诊断、异常运行工况识别、运行过程安全分析与预测、安全性动态评估技术等方面的研究现状,总结出了航天发射系统运行安全性评估面临着系统极度复杂、决策风险性极大、先验信息少以及评估结果要求高准确性与实时性等方面的挑战。最后,本文对航天发射系统运行安全性评估有待研究的基础前沿问题进行了思考。

 

引用格式:柴毅, 毛万标, 任浩, 屈剑锋, 尹宏鹏, 杨志敏, 冯莉, 叶欣. 航天发射系统运行安全性评估研究进展与挑战. 自动化学报, 2019, 45(10): 1829-1845. 


链接:http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-10-1829.htm


作者简介:

柴毅, 重庆大学自动化学院教授,教育部复杂系统安全与自主控制实验室主任.

主要研究方向为信息融合,故障诊断,智能控制系统.本文通信作者. E-mail: chaiyi@cqu.edu.cn

 

毛万标, 西昌卫星发射中心高级工程师. 主要研究方向为故障诊断,发射场安全性分析评估. E-mail: rocketmwb@126.com

 

, 重庆大学自动化学院博士研究生. 主要研究方向为智能系统,故障诊断和深度学习.. E-mail: renhao@cqu.edu.cn

 

屈剑锋, 重庆大学自动化学院副教授. 2009年获得重庆大学博士学位. 主要研究方向为故障诊断,信号分析与处理. E-mail: qujianfeng@cqu.edu.cn

 

尹宏鹏, 重庆大学自动化学院教授. 主要研究方向为模式识别与智能系统,故障诊断与健康管理。 E-mail: yinhongpeng@gmail.com

 

杨志敏, 重庆大学自动化学院博士研究生. 主要研究方向为故障诊断和容错控制. E-mail: zmyoung@yeah.net

 

冯莉, 重庆交通大学交通运输学院讲师. 2017年获得重庆大学博士学位. 主要研究方向为故障诊断和故障估计. E-mail: fengli_cqu@126.com


叶欣, 西昌卫星发射中心工程师. 主要研究方向为低温推进剂管道输送,发射场可靠性分析评估,数字图像处理. E-mail:nanjingyexin@163.com

 




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