SLS 火箭助力猎户座飞船飞向月球

NASA 阿尔忒弥斯计划剑指长期驻月


自 1972 年以来,在将近 50 年的时间里,人类再也没有踏足过月球。但如果一切按计划进行,我们很快就能重返月球。NASA 目前正在实施阿尔忒弥斯计划,该计划以希腊神话中的狩猎和月亮女神命名。阿尔忒弥斯 I 号将执行无人飞行任务,目标是测试新火箭,即太空发射系统 (SLS)。SLS 是美国建造史上最强大的火箭,在发射时能产生 39.1 兆牛顿(880 万磅)的推力。

但 SLS 只是阿尔忒弥斯计划的技术环节之一。SLS 有 30 多层楼那么高,顶部是猎户座飞船,最多能承载六人前往月球甚至更遥远的星球。猎户座飞船旨在保护宇航员免受外太空极端环境的影响。SLS 将会把猎户座飞船送入月球轨道。

阿尔忒弥斯 I 号是人类朝着探索月球以及在未来建造月球基地迈出的重要一步。一年后,阿尔忒弥斯 II 号将执行由猎户座飞船承载宇航员绕月飞行的任务。2024 年,阿尔忒弥斯 III 号会将第一位女性和第一位有色人种送上月球表面。阿尔忒弥斯未来任务是建立月球基地,为实现探月、工业化和创新以及登陆火星铺路。

虽然希腊女神阿尔忒弥斯比她的孪生弟弟阿波罗出生得早,但 NASA 的阿尔忒弥斯计划比阿波罗计划要更年轻也更智能。1969 年,阿波罗 11 号首次将人类送上月球。当时船载计算机只有 4 KB 的内存。最新版 iPhone 的内存是它的 100 万倍,而用来开发和运行阿尔忒弥斯计划软件的计算机的内存比这要大得多。但这不只是内存的问题。现在,工程师们可以借助新的工具套装更智能地工作,从而简化设计流程。

NASA 的太空发射系统高 98 米(322 英尺)。核心级高 64.6 米(212 英尺)。猎户座飞船位于系统顶部,高 3 米(10 英尺),直径 5 米(16.5 英尺),可居住容积为 9 立方米(316 立方英尺)。

NASA 太空发射系统的插图图片。(图片所有权:洛克希德·马丁公司)

深度解析

大学毕业后,Hector Hernandez 加入了洛克希德·马丁公司,从事猎户座飞船的研制工作。他说道,“我们计划在月球上建立长期基地,为迎接更大的挑战,也就是登陆火星,做好准备。我们对此兴致勃勃。”

Hernandez 是猎户座飞船动力系统的首席分析师。他的团队负责使用软件对所有硬件进行建模,据此预测并避免各种错误。Hernandez 表示:“我们需要确保系统连接的所有组件与系统本身能够很好地协同工作。”

“我们计划在月球上建立长期基地,为迎接更大的挑战,也就是登陆火星,做好准备。我们对此兴致勃勃。”

Hector Hernandez,NASA 猎户座飞船动力系统首席分析师

动力系统包括蓄电池、太阳能电池板、计算机、电线和接头(节点)。任务的成功以及宇航员的生存都取决于动力系统的质量,因此需要确保动力系统所有组件的电压都在适当范围内,并避免电压“纹波”太大。模型能帮助该团队确定各元件的大小以及它们之间的连接。另外,模型还能帮助他们监控任务以及做出关键决策。如果实际的飞船出现问题,他们可以对故障进行仿真,查看模型的反应情况,向任务操作员建议应该中止任务还是采取其他措施。

Hernandez 还采用 Simulink®,开发了飞船动力性能 (Spacecraft Power Capability, SPoC) 模型。此外,Hernandez 还借助用于电气系统物理建模的 Simscape Electrical™,在模型中创建了许多模块,例如,蓄电池模块、太阳能电池模块。以前的做法是使用 Microsoft® Excel® 电子表格。现在,Hernandez 仍会使用电子表格快速解决一些问题,但这些电子表格无法用来对有多个电缆接头的多节点系统建模。他表示,“我们在尝试解决比较复杂的问题时,一下就想到了构建 SPoC。”

大型空间内的猎户座飞船。

NASA 肯尼迪操作和检查大楼内的猎户座飞船。(图片所有权:洛克希德·马丁公司)

Hernandez 还补充道,“我个人比较崇尚直观化。”四处拖动框可以让人直观地了解各部分之间的联系。借助 Simulink,无需处理许多底层代码。另外,还能让其他人更容易理解模型,而创建者也能将特定 IP 隐藏在模块中。“我们用它能把很多凌乱的内容隐藏起来。”他如是说道。

目前,SPoC 已经通过所有性能审核。它的行为与真实猎户座飞船的行为一致。该团队只要获得来自猎户座飞船的实际测试数据,就会根据该数据调整模型。Hernandez 表示:“我们下一步是让阿尔忒弥斯 I 号任务取得成功。然后,我们再继续研究阿尔忒弥斯 II 号。”

故障管理对 NASA 至关重要

在登月过程中可能会出现很多错误。在设计 SLS 时,NASA 的工程师和科学家们创建了一个软件模型,用于对关键任务算法进行仿真,以监控飞船可能对设备和最终船载人员构成隐患的潜在故障。

根据 SLS 团队的科学家和工程师发表的一篇论文,对任务和故障管理 (M&FM) 算法进行可靠性验证是任务取得成功的关键。在题为《在 Stateflow 环境中建模,以支持对 NASA 太空发射系统中的任务和故障管理算法进行运载火箭验证测试》一文中,该团队对他们的设计流程进行了描述。

文中指出,“M&FM 测试团队致力于研究安全关键系统算法,以实现 SLS 计划中的 FSW [飞行软件]。对该团队来说,防止任务(包括故障)管理系统出错是他们工作的核心主题。”

火箭内部可能会出现很多错误,包括可能对飞船或船载人员构成重大威胁的错误。阿尔忒弥斯 M&FM 团队负责为火箭开发异常检测软件算法。这样,地面控制团队可以做出操作决定,例如是停止发射程序还是中止整个任务。

阿尔忒弥斯 M&FM 团队并未基于真实火箭开发并测试算法,而是创建了一个名为状态分析模型 (SAM) 的 SLS 软件仿真环境。在该团队对此虚拟火箭的故障监测算法的性能感到满意后,软件开发团队就开始以能够上传到 SLS 的语言对其进行编码。

该团队对每个航电组件都进行了建模。这简直就是组件名缩写词大杂烩。比如,有电源分配和控制单元 (PDCU),这是一个包含其他单元(如冗余惯性导航单元)电气开关的箱子;还有液压动力单元 (HPU) 以及 TVC 执行控制器 (TAC)。TAC 从 PDCU 获得电力,然后对推力矢量控制 (TVC) 执行器进行液压控制,以改变发动机推力方向。其他单元用于控制发动机的泵和阀门。

从理论上讲,M&FM 团队可以对整个系统构建详细的物理模型,但这个过程进行得很缓慢。他们于是改用了在 Stateflow® 中构建的模型,该模型类似于用直线连接起来的框。这一模型称为状态机。每个框表示系统某个部分的潜在状态。一个框可能表示阀门处于打开状态,另一个框则可能表示阀门处于关闭状态。直线表示由指定事件触发的状态之间的过渡。框里显示用 MATLAB® 编写的特定代码,或在 Simulink 软件中创建的图形化模型,该模型会描述状态并将此信息传递到其他组件。

太空发射系统 (S L S) 火箭升空穿云。

SLS 是一种先进的重型火箭,具有很多新功能,将为科学研究和人类探索太空提供强大支持。(图片所有权:NASA/MSFC)

Stateflow 图描述了系统的逻辑。Stateflow 和 Simulink 模型都类似于用直线连接起来的框,只是发挥作用的方面不同。MathWorks 太空部门经理 Ossi Saarela 表示:“比如,您走在街上遇到一个十字路口。Stateflow 决定您向右走还是向左走,Simulink 则是帮助您保持平衡的。”

该团队还拥有系统集成实验室 (System Integration Lab, SIL) 这一物理模型。根据 NASA 的文章,“SIL 是一种高保真测试平台,集实际飞行软件与真实和仿真的 SLS 硬件和环境组合于一体。”

但 M&FM 团队需要这两种模型。SIL 中的软件和航电箱与火箭的相同,甚至连电缆长度也一样,因此它的保真度高得多。通过比较模型,他们可以根据 SIL 的输出来改进 SAM。

M&FM 团队需要找出正确的脚本以优化 SAM,从而提高速度。他们还需要决定要尝试运行哪些测试用例,以及如何确定系统是否通过了测试。现在,他们可以基于 SAM 进行快速迭代,因此可将其当作“水晶球”,从中了解 SIL 的预期结果。文中还指出,SAM 在标准 PC 上执行一连串的候选发射任务剖面大约需要 120 秒。在执行多次测试并达成多个里程碑后,该团队发现,在大多数情况下,SAM 与 SIL 的结果非常接近。

另一个重大事件是热火测试。在该测试中,NASA 将火箭固定在地面上,然后对其发动机进行点火。

Saarela 表示:“当这些发动机点火时,震感之强在几英里外的地方也能感受得到。此时会释放出巨大的能量,因此,能够提前预测每个组件的确切行为非常重要。”

该团队还可将所学知识运用到其他领域,因为 NASA 即将推出多项激动人心的计划。

Saarela 表示:“像阿尔忒弥斯人类登陆系统甚至火星上升飞行器火箭这样的新设计,必将从 SLS 所用的新工具和流程中受益。航空航天工程业正处于快速发展时期。”

飞船的自动驾驶系统

NASA 不仅使用软件模型测试算法和进行硬件仿真,而且还使用它为载人舱生成实际代码。制导、导航与控制 (GNC) 系统基本上是飞船的自动驾驶系统,用于集成传感器数据和规划飞船飞行轨迹。过去,GNC 设计师负责撰写需求,而软件工程师根据这些需求编写最终代码。新方法是采用基于模型的设计。设计师不用编写静态规范,只需构建可执行模型即可,这样他们便可对其进行测试并快速迭代。软件随后会自动将该模型中的算法转换为最终代码。

猎户座飞船的 GNC 设计师采用了 Simulink。他们可以将 Simulink 模型插入 Trick 中;这是 NASA 研发的高保真软件仿真环境,用于对飞船以及定义其太空运动行为的物理特性进行仿真。在设计师对模型感到满意后,Embedded Coder® 会用 C ++ 生成控制代码,该代码也可由设计师插入 Trick 中。MATLAB 可以检查 Simulink 模型和 C ++ 代码,确保它们的行为完全相同。C ++ 代码随后将被上传到飞船上。

借助基于模型的设计,设计师无需在开发算法时手动编写和重写代码,因此节省了时间。另外,还减少了低级编码错误。它还能简化算法检查。当今的计算机非常智能,可以用来发射火箭,以及编写用来发射火箭的智能代码。

借助基于模型的设计,设计人员不用编写静态规范,只需构建可执行模型即可,软件随后会自动将该模型中的算法转换为最终代码。

猎户座飞船放在一个大型厂房内,一面墙上挂着美国国旗,另一面墙上挂着横幅,上面写着“向月球及更远的地方出发”。

猎户座飞船。(图片所有权:洛克希德·马丁公司)

NASA 表示,“通过阿尔忒弥斯任务,NASA 将会把第一位女性和第一位有色人种送上月球,并利用创新技术更进一步探索月球表面。我们将与国际化的商业合作伙伴合作,携手在月球上建立第一个长期基地。然后,我们将根据在月球表面及其周围探测到的信息实现下一个巨大的飞跃,那就是将第一批宇航员送上火星。”

奔向月球!

2022 年 11 月发布


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