包為民院士：航天發展面臨的控制問題與挑戰

2020-10-03 中國自動化學會



當今我們已經邁向太空經濟時代，以新一代全球通信衛星與空間網際網路星座、月球探測等為代表的大規模空間設施建設及航天產業快速發展，相關產業規模快速增長，將成為社會經濟發展的新動能、新趨勢和新模式。航天產業已經拓展到空間資源開發、能源利用、在軌製造、醫藥衛生、太空旅遊等領域，其發展呈現出航班化、商業化、產業化、規模化等新特點。利用太空和開發太空可以完成許多在地面做不到的事情，破解許多在地面解決不了的難題，將使我們突破空間的限制，突破地球資源的限制，開拓出新的家園和經濟疆域。

未來航天技術發展趨勢

隨著人民生活水平的提高，人們對交通運輸的速度和活動範圍提出了更高要求。例如人們對太空旅遊關注度日益增長，「一小時全球達」已提上議事日程，高可靠、低成本進出空間的運輸工具是實現以上需求的重要技術基礎。

未來，我們的活動空間將從地球到月球，再到火星和太空，我們的視野將轉向地月空間，地月空間將成為航天任務主要目的地和前哨基地，航班化運輸系統將是最重要工具，為人類走向深空、探知未知世界、認知宇宙、拓展人類文明提供更多可能。

深空探測業已成為各國競逐熱點，很多新興航天國家也不斷加入到深空探測行列當中，其目標還是重點鎖定在月球、小行星和火星等三類天體，各類計劃正在穩步實施。中國在深空探測重大專項方面規劃了火星、小行星和木星，尤其是無人月球探測四期規劃，2030年前將安排四次探測任務，三期任務是在明年進行月球無人採樣。

未來航天技術將聚焦四大能力，打造新興產業，培育新動能，迎接太空經濟。這四大能力是進出空間、探索空間、利用空間和開發空間。

進出空間能力將發展出低成本、高可靠進出空間的航天運輸系統。航天運輸由三個系統組成，分別是1小時全球抵達運輸+天地往返運輸+空間轉移運輸，具有高可靠、低成本特性，能滿足我國未來較長時間內空間探測任務需求，支撐航天任務和產業的發展。

探索空間能力將助力「覓音」計劃。我們正在尋找另外的適宜人類居住的星球，通過這些探索來研究地球和生命起源。我們設想在日地L2點，也就是150萬公裡地月引力平衡點的位置做一個幹涉望遠鏡陣列，達到提高等效口徑、解析度的目的，搜尋近鄰恆星的宜居帶行星，確定行星軌道半徑以及溫度範圍，實現尋找另一個地球的設想。

對航天控制的新需求與挑戰

自由進出空間、探索浩瀚宇宙仍然需要解決諸多基礎問題，如可靠性及成本問題、材料的極端服役與重複使用疲勞問題、動力與能源問題、高超聲速氣動力/熱問題、多學科耦合與優化問題等，這些對航天控制也提出了高可靠、高品質、高精度、低成本、易維護等新需求。

對航天控制的高可靠需求要關注人類乘員與高價值載荷的安全，天地運輸航班應急備降，不依賴地面指揮通訊的自主飛行等。對航天控制高品質的需求主要包括乘客的乘坐體驗，駕駛員的操縱品質，適應複雜的熱／過載／時間等約束，空間服站、空間機器人的高效運行等。對航天控制高精度的需求有飛行器精確交會、對接與抓捕等。對航天控制低成本的需求有商業可運行、大眾可支付等。對航天控制易維護的需求有航班化班次密集、運行間隔時間短，適應全球各地的發射／著陸場，地勤操作簡單快捷等。

航天控制未來也面臨著各種挑戰，實現高可靠性方面，挑戰在於可靠的飛行控制架構與軟體，飛行控制的故障診斷隔離與恢復技術，快速的自主軌跡規劃與任務規劃。實現高品質方面，跨域多模態的高品質飛行控制將是未來挑戰。高精度方面的挑戰在於強適應高精度制導與姿態控制。實現易維護的挑戰將在快測試、易維護的電氣系統上。實現低成本，挑戰在於多次重複使用的制導與控制，集成化標準化系統架構。

控制學科發展的思考

1948年，維納發表《控制論》，將控制論看作是一門研究機器、生命、社會中控制和通訊的一般規律的科學。通俗地說，控制論是研究動態系統在變化環境下如何保持平衡狀態與穩定狀態的科學。1954年，錢學森發表《工程控制論》，用系統工程的視角，把控制理論與工程實踐緊密結合起來，開創了一門新的技術科學，真正架起了控制理論和工程的橋梁。

現在航天控制技術還面臨很多基礎科學問題，包括極端條件帶來的非線性與不確定性問題，陌生環境帶來的知識歸納與自主適應問題，人機融合／智能控制帶來的可信與安全性問題，不確定性帶來的模型描述與有效調控問題等。

控制的基礎是用數學工具處理信息，信息的傳遞都是為了更好地實現控制意圖，而任何控制又都有賴於對控制目標信息反饋來實現，信息挖掘變得非常重要。控制理論和方法主要面臨的問題是應對各種非線性、不確定性和多元幹擾，而對信息的智能處理將成為解決非線性、消除不確定性、抑制多元幹擾等問題的有效方法。信息和控制的深度融合可能是解決未來發展中基礎問題的重要方法。

世界航天已進入到大規模進出空間和地月空間經濟的新時代，航班化航天運輸是實現低成本、大規模進出空間的重要選擇和支撐，重複使用航天運載系統是大幅降低航天運輸成本的重要途徑，未來的太空飛行器也必將是可學習、可訓練的智能太空飛行器。

（作者系中國科學院院士，由《中國科學報》記者韓天琪自2019中國自動化大會採訪整理）

相關焦點

  • 包為民院士：組合動力飛行器技術是航天大國競爭新焦點，應集中力量重點突破
    包為民院士包為民，原籍浙江寧波，生於黑龍江哈爾濱，中國科學院院士、國際宇航科學院院士。現任中國航天科技集團有限公司科技委主任。主要研究方向為航天運載器總體技術、制導與控制技術。面對未來的太空探索，以廉價、快速、可靠、便捷為典型特徵的新型航天運輸模式將成為人類航天技術的重要發展方向，而新型動力及其應用技術的創新性變革將是推動這一發展的重要前提和保障。
  • 包為民院士:航天智能控制技術讓運載火箭「會學習」
    作者：包為民，原籍浙江寧波，生於黑龍江哈爾濱，中國科學院院士、國際宇航科學院院士。現任中國航天科技集團有限公司科技委主任。主要研究方向為航天運載器總體技術、制導與控制技術。　　摘要　　高可靠和智能化是未來智能太空飛行器的主要特點，本文聚焦太空飛行器高可靠、智能化的發展需求。
  • 包為民院士、劉榮教授受聘我校講席教授
    中國航天科技集團科技委主任包為民院士、中國人民解放軍總醫院肝膽胰外科醫學部主任劉榮教授受聘我校講席教授。校黨委書記熊四皓講話。校長周玉為包為民、劉榮頒發聘書。熊四皓在講話中代表學校對包為民、劉榮表示歡迎，向兩位專家多年來對學校發展的支持表示感謝，並介紹了學校人才隊伍建設的優良傳統和主要成效。
  • 包為民:航天智能控制技術讓運載火箭「會學習」
    2 太空飛行器的可靠性從航天智能控制做起　　隨著控制科學與技術的迅速發展，人工智慧的理論與技術成果已在控制領域得到了應用和發展，智能控制技術將是人工智慧及相關前沿技術的綜合體現。在航天工程領域，由於環境、故障、本體不確定、外部幹擾、等特有屬性，傳統控制方法存在應對能力不足、解決問題不全等問題，亟需航天智能控制技術給出系統性、綜合性的解決方案，以提升航天飛行器的可靠性。
  • 人工智慧賦能航天控制發展論壇17日在榕召開
    臺海網9月17日訊 據福州新聞網報導 17日下午，為促進中國航天控制領域智能技術的交流與發展，推動航天智能技術的基礎理論原始創新、核心關鍵技術突破及工程應用推廣，2020年中國航天大會航天控制專業論壇——人工智慧賦能航天控制發展論壇在福州海峽國際會展中心召開。
  • 院士專家雲集，在航天基地舉辦的這個大會厲害了！
    包為民、黃維、郝躍、尹浩、周志成、張平6位院士出席大會，46位知名專家和企業家發表主旨報告，會議圍繞空-天-地-海網絡體系構架、臨近空間一體化信息技術、北鬥衛星導航系統應用與商業航天、網信自主創新技術與產業發展等多方面進行深入交流和研討。
  • 後香農時代信息產業發展面臨的十大挑戰數學問題
    打開APP 後香農時代信息產業發展面臨的十大挑戰數學問題 機器之心 發表於 2020-11-20 17:33:21 又有哪些值得業界關注的數學問題呢？在上月底結束的長沙「數學促進企業創新發展論壇」上，華為董事、戰略研究院院長徐文偉拋出了後香農時代信息產業發展面臨的了十大挑戰數學問題。 提到香農定理，通信領域的小夥伴應該是非常熟悉的了，可稱得上是該領域的「金科玉律」。1948 年，香農博士在《通信的數學原理》一書中提出了這一著名的定理。
  • 我國科學家正研究「更柔軟」航天飛行器，使其具備隨時變形能力
    在中國首個可重複使用試驗太空飛行器成功返回著陸的背景下，空天飛行器發展成為2020年中國航天大會熱議話題之一。在大會上，中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民作了《航班化航天運輸系統的發展與思考》的報告。包為民表示，我國計劃在2045年實現「航班化」航天運輸1小時全球抵達。
  • 中國可重複使用飛行器穩步發展，計劃25年後1小時全球抵達
    在大會上，中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民作了《航班化航天運輸系統的發展與思考》的報告。包為民表示，我國計劃在2045年實現「航班化」航天運輸1小時全球抵達。大會現場 本文圖片均為澎湃新聞高級記者 謝瑞強 圖而中國航天科工集團有限公司三院院長則作了《邁向空天時代——空天飛行器發展展望》的報告，從創新的邏輯、國際研發格局、空天飛行面臨重大問題等，對空天飛行器發動機、材料
  • 中國工程院院士曲久輝:水環境治理面臨哪些挑戰
    而且，隨著經濟發展和城鎮化、工業化推進，我國水資源的利用和保護更是面臨巨大考驗。7月26日，中國工程院院士曲久輝走進《中國經濟大講堂》從多方面深度解讀了如何有效治理水環境、保障水安全。淨水小編整理後將分三期呈現給大家。今天為第二期。水體富營養化是我國水環境治理急需解決的重要問題。那麼究竟什麼是水體富營養化？
  • 近30位院士齊聚川大！共話「航天航空航海國際工程科技戰略」
    中國航天科技集團董事長吳燕生，中國工程院機械與運載工程學部主任、大連理工大學校長郭東明院士；校長李言榮院士、副校長李蓉軍教授，以及來自航天、航空、航海領域的27位院士和百餘位知名專家學者，政府部門、科研院校、企事業單位代表等500餘人參加論壇。
  • 當前院士最多的央企|航天科技集團有33位
    11月22日，2019年中國科學院、中國工程院院士增選結果揭曉，中國航天科技集團有限公司祝學軍、朱廣生分別當選中國科學院技術科學部、中國工程院機械與運載工程學部院士。當前，航天科技集團有33位（在職10位）中國科學院、中國工程院院士，院士人數位居央企之首。
  • 航天新目標，中科院：「航班化」航天運輸一小時全球抵達
    圖為 包為民先生報告陳述「航班化」航天運輸計劃隨著人類文明的進步與發展這份技術理論支撐由中國航天科工集團有限公司三院院長作的《邁向空天時代——空天飛行器發展展望》報告裡進行探討。這份報告從邏輯思維角度創新、國際航天發展、空天飛行問題等重大問題，多角度對空天飛機的技術、研發以及製作進行探討。其中支撐「航班化」航天研發需要可重複使用航天運輸系統，其中可多次往返於地面與空間軌道並能夠一直重複使用構成一套完整的航天運輸系統。
  • 全國政協委員包為民:中國風雲氣象衛星已為全球上百個國家和地區...
    中新社北京5月23日電 (郭超凱)全國政協委員、中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民接受記者採訪時介紹，目前風雲系列氣象衛星已為全球上百個國家和地區的用戶提供衛星資料和產品。包為民表示，風雲系列氣象衛星在國內外氣象觀測與預報、應對氣候變化等領域發揮重要作用。2005年以來，風雲系列氣象衛星共提供122類產品，數據6358.7TB，有19個國家通過中國氣象局衛星廣播系統實時接收風雲衛星數據，29個國家建成風雲衛星數據直收站，24個國家註冊成為「風雲衛星國際用戶防災減災應急保障機制」用戶。
  • 2045年有望實現「航班化航天運輸」1小時全球抵達
    央視新聞客戶端在2020年中國航天大會上，有多位專家就航天未來發展進行了主題發言，中國科學院院士包為民表示，未來可以發展航班化航天運輸系統，進一步提升未來出行的速度和效率。航班化航天運輸系統主要由1小時全球抵達運輸、天地往返運輸、空間轉移運輸等三類運輸系統組成，能夠滿足我國和人類未來進出空間、開發空間、利用空間的任務需求，促進航天產業的發展。
  • 距離不是問題!「1小時全球抵達」或2045年實現
    「1小時全球抵達」更是已經提上日程在2020年中國航天大會上，有多位專家就航天未來發展進行了主題發言，中國科學院院士包為民表示，未來可以發展航班化航天運輸系統，進一步提升未來出行的速度和效率。航班化航天運輸系統主要由1小時全球抵達運輸、天地往返運輸、空間轉移運輸等三類運輸系統組成，能夠滿足我國和人類未來進出空間、開發空間、利用空間的任務需求，促進航天產業的發展。
  • 戚發軔院士對話南開師生 講述中國航天與航天精神
    我們這一代人解決了有無的問題，你們這一代人要完成超越的使命。」　　10月10日，神舟號飛船首任總設計師、中國工程院院士戚發軔做客「科學與南開」主題論壇。這位耄耋之年的「老航天人」，結合一生所伴的航天事業，向200餘名南開師生講述了「中國航天與航天精神」。
  • 程書鈞院士:腫瘤防治將面臨新的挑戰
    現在腫瘤的研究已經進入到了基因組的時代，所以，腫瘤防治也將面臨新的挑戰。在「2017國際胸外科學術大會暨第五屆國家癌症中心學術年會」上，中國工程院程書鈞院士在院士論壇上做了一場精彩的演講：腫瘤防治的新挑戰。以下為程書鈞院士演講文字實錄：各位專家，早上好!今天利用半個小時的時間跟大家匯報一下有關於腫瘤研究進展的幾個重要問題。
  • 金之鈞院士:中國的頁巖油開發仍面臨四大挑戰
    隨著鑽井技術的提高，經過幾十年發展，頁巖油氣的廉價開採成為了可能。頁巖油開發，國外有哪些可借鑑經驗？在頁巖油氣的開採上，美國一直走在世界前列，研討會上，中國科學院院士、頁巖油氣國家重點實驗室主任金之鈞介紹了美國開採頁巖油的經驗。
  • 美國人:中國正在崛起,美面臨淪為落伍者
    ，但公眾還是對一家才成立18年的私營航天公司擁有載人航天能力感到震驚。根據中國科學院院士，航天科技集團科技委主任包為民的介紹，今年7到8月間，也就是下個月，我們就能看到「天問一號」發射向火星，一次性實現繞、落、尋三個任務，此外還要完成5大科學目標。難度比起「嫦娥四號」登月高出了不止一個數量級，部分環節在全球甚至都是「首次」的。