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| 內容簡介： |
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本书是作者结合了数十年的工程经验，期望形成较为全面而实用的、针对运载火箭控制系统的*实践。运载火箭的控制系统和发动机的故障，曾经是火箭飞行失败的主要原因。而随着控制技术的快速发展及控制设备整体水平的提高，以及在经验教训方面有效的总结和举一反三，控制系统的故障率呈显著下降的趋势，这不仅在国外，在国内也成为非常明显的趋势，控制系统还逐渐被要求为要能够在其他系统故障的情况下，尽可能适应或者弥补损失
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| 關於作者： |
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宋征宇，男，汉族，1970年生，博士学历，中共党员，历任多型运载火箭副总师、总设计师，在航天控制基础理论和新型控制系统的研究方面做出了系统性和创新性贡献，目前主要从事新型运载火箭的研制以及航天智能自主技术的研究，是国家万人计划科技创新领军人才、国际宇航科学院院士。获国家科技进步特等奖1项，国建科技进步1等奖1项，国防科技进步奖和军队科技进步奖10余项。
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| 目錄：
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目 录 第1章 概述 1 1.1 航天发射的风险 3 1.1.1 失效原因和失效模式 3 1.1.2 世界范围内失效问题的统计和趋势 6 1.2 国外最佳实践的研究成果 20 1.2.1 美国航天机构和企业的研究成果 20 1.2.2 欧洲空间局的经验教训系统 30 1.2.3 日本宇宙航空研究开发机构的风险控制与经验教训 系统 32 参考文献 34 第2章 航天系统工程技术 39 2.1 航天系统工程简介 40 2.1.1 系统工程的基本概念及其在 GNC中的应用 40 2.1.2 GNC技术在项目管理中的应用 46 2.2 基于模型的系统工程 49 2.2.1 MBSE的基本概念 49 2.2.2 MBSE的实现 52 2.3 商业航天的挑战 58 2.4 中国航天系统工程的实践 61 2.4.1 双五条归零 61 2.4.2 载人航天运载火箭软件工程化实践 65 参考文献 81 第3章 系统设计 84 3.1 系统设计的基本流程 85 3.1.1 需求的分解 85 3.1.2 设计迭代 88 3.2 系统设计的基本要素 92 前 言
8 3.2.1 最佳实践 92 3.2.2 基于风险的设计与风险控制 96 3.3 案例分析 101 3.3.1 迭代制导对故障的适应性 101 3.3.2 姿控系统的鲁棒性设计 112 3.3.3 电气系统设计 131 参考文献 153 第4章 产品实现 155 4.1 产品实现的基本流程 156 4.2 产品实现的基本要素 159 4.2.1 最佳实践 159 4.2.2 供电系统的设计考虑 161 4.2.3 面向制造的设计 163 4.3 案例分析 168 4.3.1 抗干扰设计 168 4.3.2 瞬态过程的控制 199 4.3.3 潜通路的分析 228 4.3.4 工艺的优化设计 243 参考文献 267 第5章 验证与确认 275 5.1 验证与确认的基本流程 276 5.2 验证与确认的基本要素 278 5.2.1 最佳实践 278 5.2.2 产品检查检验 282 5.2.3 像飞行一样测试 285 5.3 案例分析 287 5.3.1 试验方案的确定 287 5.3.2 数据的分析 313 参考文献 333 附录 NASAGNC最佳实践 336 参考文献 354
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| 內容試閱：
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前 言进入21世纪,航天技术得到了迅猛的发展,每年火箭的发射数 量也大幅度地增加,但航天发射仍然是一件高风险的事件。造成这 种高风险的原因,主要体现在以下几个方面。首先,航天技术的成 熟度与其他行业相比,仍处在一个相对较低的水平。地球是人类的 摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中,人类首先要解决在地球上 的生存问题,然后才会逐步考虑进入太空,进入太空所涉及的技术 比一般地面的工程技术面临的挑战更大,为此工程师研发了许多先 进的技术。这些技术越先进,说明其得到广泛应用的场合越少,其 技术的成熟度也相对较低,非常容易发生故障。其次,空间环境条 件复杂、恶劣,不确定因素众多,这增加了航天飞行产品设计的难 度。例如,上升段飞行中大量级的振动,白天与夜晚交替的极限高 温与低温条件、严酷的辐射环境,以及未知的空间环境等,这些对 设计人员均是挑战。再次,在地面试验中难以真实地模拟飞行中的 工况。这一方面是由于空间环境不确定因素多,另一方面,即使在 一定程度上了解这些因素,也因手段或设施的限制而难以开展验证。 例如,火箭箭体结构的模态特性,在地面试验中就无法模拟双端自 由状态下的条件。这些都影响了地面试验验证的有效性。 除了技术因素外,还有一些其他因素会对安全产生显著的影响。 航天技术目前仅掌握在少数国家和机构手中,并 没 有 像 其 他 工 业 例如汽车等技术形成广泛的应用,从事这项工作的人员相对较 少,这影响了航天技术的发展。此外,航天界似乎并没有真正地吸 取过去的经验教训,重复性的问题还是时有发生。这些通过实践获 取的知识,没有能够被系统性地进行总结。事实上,由于故障案例 往往非常具体且零散,系统总结的难度也较大,而成功的经验也由 前 言
4 于容易被忽视而导致 成功之后的失败。 本书是作者结合数十年的工程经验,期望形成较为全面而实用、 针对运载火箭控制系统的 最佳实践。运载火箭的控制系统和发动 机的故障,曾经是火箭飞行失败的主要原因。而随着控制技术的快 速发展及控制设备整体水平的提高,以及在经验教训方面有效的总 结和举一反三,控制系统的故障率呈显著下降的趋势;这不仅在国 外,在国内也成为非常明显的趋势。控制系统还逐渐被要求能够在 其他系统出现故障的情况下,尽可能适应或者弥补损失。因此,对 控制系统最佳实践的总结,有利于火箭的其他分系统借鉴参考。 世界各国的航天界均非常重视最佳实践,各国所遵循的标准, 可以理解为最佳实践的总结和提炼。中国航天界针对产品在系统级 测试至飞行中暴露出来的故障而制定的 故障归零五条标准,是对 国际航天界的重大贡献,且已形成国际标准。 故障归零五条标准 中的举一反三,就是要求全体设计和管理队伍要针对某具体问题的 原因查找是否也存在于自身负责的项目中。在美国,NASA 以及空 军均有经验教训 lessonslearned和最佳实践 bestpractice的 总结,有些总结是随着新案例的出现而持续增加的,也有一些是针 对某个具体项目而进行的专项总结;美国的航天公司也有类似的管 理方法。此外,欧洲空间局 ESA、日本宇宙航空研究开发机构 JAXA等也都有相应的质量检查活动。尽管如此,在大多数的总 结中,或者问题十分具体,使得读者难以触类旁通;或者是高度提 炼的描述,难以形成启发性的思考和共鸣。 本书共分为5章。在第1章的概述中,主要对世界范围内航天 发射失效问题的分布和发展趋势进行了统计分析,并简要介绍了国 外同行在最佳实践方面所开展的工作和部分成果。从近年来的各种 故障案例看,火箭的整体可靠性在提升,控制系统的故障比例也逐 渐下降;但低层次问题,例如极性错误等,仍时有发生。由于控制 系统的重要性,这些低层次质量问题也可能造成任务彻底失败,因 此值得关注。 第2章介绍航天系统工程技术。航天系统工程,是在航天项目 运载火箭控制系统最佳实践
5 实践中总结出来的一整套从管理到开发、生产、运营、维护等全生 命周期的各类活动的行为规范。由于各个国家在航天系统工程的开 发中几乎都处于相对独立的状态,因此各国的系统工程技术不尽相 同。本章首先简要介绍了航天系统工程的基本概念;随后将基于模 型的航天系统工程作为最具特色的系统工程活动之一进行了介绍; 接下来讨论了新形势下商业航天对系统工程技术的影响;最后对中 国在航天系统工程方面的最新实践情况进行了简要介绍,包括载人 航天运载火箭软件研发过程中的最佳实践。之所以介绍航天系统工 程技术,是因为这项技术本身就可以作为顶层设计的最佳实践。 从第3章到第 5 章,分别就控制系统的系统设计、产品实现、 验证与确认这三个方面的最佳实践进行总结。每个章节的结构布局 基本类似,首先介绍这一阶段工作的基本流程,随后总结出系统性 的基本要素,这些要素中包含作者总结出的针对这一阶段工作的最 佳实践;随后选择了一些案例进行分析,可以看作是对最佳实践中 部分内容进行的扩展和例化的详细介绍。这些案例均是作者在工作 中所遇到问题的提炼,看上去并非是复杂的技术问题,但均可小中 见大,不仅问题本身容易被人忽略,其背后蕴含的经验教训也常被 轻视,进而给项目带来不期望的烦扰。 本书期望在高度概括的设计准则和详细具体的案例分析之间做 好平衡,通过简洁而启发性的介绍,使得读者真正汲取经验教训。 由于作者水平有限,同时技术的发展可能使得问题的倾向和层次发 生不断的变化,因此对最佳实践的总结必然不是十分完善。但读者 若能从中真正避免类似问题的发生,或者若干年后重新回顾,发现 本书的内容已成为公认的常识,此类问题发生的情况已经越来越少 或几乎不再发生,这也将是本书的价值所在。 宋征宇 2018年小暑
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