很多人對火箭最大的誤解就是:火箭是開的……我身邊的很多人也會問我:“火箭怎麼開啊?”但是如果各位轉念一想,火箭最後要加速到至少7.9km/s的速度將載荷送入太空,如果是人為操控,如果出現問題根本無法做出判斷並改正,何況現在全球都有載人航天任務,對安全性更有驚人的要求,所以說,火箭並不是開的,而是自主控制的。它有屬於它自己的大腦:控制系統。
何為控制系統?它主要由GNC系統、匯流排、慣組構成(具體結構體系見圖二)。GNC系統是整個火箭系統的核心,它是指控火箭飛行的關鍵部分,儲元(火箭的飛行制定程式)就會裝訂在這裡,火箭本身就會按照程式自主飛行。慣組作為檢測器,分別位於X、Y、Z三個方向測量資料,出現偏差會及時通知GNC,做出相應調整,保證飛行安全。
以圖一CZ-7控制系統構架為例:三冗餘1533B匯流排+三冗餘箭機+三冗餘六表慣組。其中1553B作為匯流排,將所有慣組貫穿起來。當然,正是因為航天系統的高風險性,必須要有冗餘度,所以三冗餘就指a、b、c三條匯流排並且帶有判決能力。簡單理解,就是三套裝置投票表決,正常情況下三臺的結果應該一樣,如果一臺出現問題並不影響結果,“少數服從多數”,保證正常反饋。再以長征七號為例,“三冗餘六表慣組”中的“慣組”意思是:一個加速度計算一個陀螺加表:“六表”的意思是:3個陀螺加表+3個加速度計,六表是最基礎的慣組。三冗餘就是三個六表慣組。
CZ-2F/C、CZ-3A這三款型號中七表慣組則在六表慣組的基礎上多加一個加速度計,形成七表,並卡爾曼濾波(透過系統輸入輸出觀測資料並對系統狀態進行最優估計 X(k)=A X(k-1)+B U(k)+W(k))多一個冗餘。雙七表就是兩個七表慣組。
CZ-8中,單十表慣組就是5加速度計+5陀螺。每套分別是1個加速度計+1個陀螺儀,共五套。透過五個變數求三個結果 ,如果有一個數據有誤 ,他會和其他四套結果不同,很容易判斷出來問題源於哪裡。同樣,十表也十分先進,因為十表在都沒壞的情況下可以支援很多自檢自標定自瞄準功能,也就是說火箭在地面做準備時不需要做太多的人為干預,全面自動化,具體測試流程如圖三所示。所以,火箭的發射就像自動駕駛一樣,技術人員只需要核查程式裝訂無誤,檢查儀器正常,保證控制系統不帶隱患上天即可。但背後整套控制系統的精準度,安全性卻是整個團隊幾年的努力。