从电缆到“WiFi”， 长征火箭进入“无线”时代

　携带手机就可以实现通信畅通，谁也不愿意背一部被电话线困扰的座机出门。同样，火箭为了实时监控自身的飞行参数，也选择抛弃电缆，采用“无线传感网络”，既轻盈也便捷。今年5月，在中国西昌卫星发射中心实施的亚太6C卫星发射任务中，长征三号乙运载火箭搭载了中国航天科技集团有限公司火箭研究院新研制的“箭载无线传感网络”系统成功飞行。这也是我国首次实现运载火箭测量系统传感器系统无线传输。
“箭载无线传感网络”系统由中国运载火箭技术研究院所属北京宇航系统工程研究所率先研制出来，可以做到火箭飞行参数无线测量。该项目负责人路娟告诉南方日报记者，此次搭载的传感器主要用于测量火箭飞行过程中的温度、压力、高频振动、低频震动等参数，对于掌握火箭飞行状态、故障定位、优化设计等极其重要。
　　
极端环境掣肘火箭“无缆化”
极端高低温、箭体分离时强大的冲击力，还有极其复杂的电磁环境，都为火箭实现内部的测量系统实现“无缆化”带来了极大的挑战。
无线传输在我们的生活中已经司空见惯，但对于火箭来说，这还是一个新鲜的事情——极端高低温、箭体分离时强大的冲击力，还有极其复杂的电磁环境等，都为火箭内部的测量系统实现“无缆化”带来了极大的挑战。
同时，火箭的设计也受困于这些百转千回的电缆。一枚火箭有成百上千个传感器，它们都由电缆进行连接。在设计过程中，长长的电缆不仅增加了火箭重量，而且经常会影响到箭体内部仪器设备的布局，给火箭设计、总装造成一定难度。
2014年，博士毕业的路娟成为一名航天人，“当时萌生了设计火箭无线传感系统的想法，因为使用线缆对火箭的各个测点进行数据采集已经应用了几十年，目前通信技术发展很快，火箭测量传输系统也到了一个更新换代的时候。”路娟说。
有了这个想法之后，路娟与团队便开始了调研与资料搜集，但是他们搜集到的众多资料中，并没有关于火箭测量无线传输系统的资料，“国外也没有类似的做法，只是在卫星上有相关的应用，但是卫星的使用条件要好得多，火箭的运行环境太复杂了。”虽然前无古人，但是项目最终在2015年立项。
接下来，就是逐一破解各个技术难关。首先是安全性的考量，火箭的发射与飞行，是个非常复杂的过程，整个无线传输系统既有电池，也有无线信号，所以要考虑这些对火箭的运行安全会不会受影响。路娟说，在设计的时候，不管是材料、结构和流程管理，还是各种预案的准备，她们在各方面都做了很多工作，还在大型火箭发动机真空环境下运行做了很多实验。当然，实验的结果还算令人满意。
“由于是电池供电，除了用来传输的电缆取消了，用来供电的电缆也取消了。电池的安全性我们也做了很多测试，例如包括电池爆炸等在内的各种极端实验。实验结果显示，即使在最极端的情况下，电池发生了爆炸，也会被限制在我们设计的一个密闭腔体内，保证爆炸不会对箭体造成伤害。由于采用了特殊的材料与结构，最多就是导致这个测点的数据损失，而不会对火箭的飞行安全造成影响。”路娟说。
　　
此WiFi不是彼WiFi
日常所说的WiFi就是一种典型的无线传输技术，可以传输语音视频等，但能耗比较高;而路娟的团队做的是一种短距离低功耗的传输技术，和日常说的WiFi从最初的设计到硬件都是不一样。
在解决安全问题之后，下一个要保障的就是无线传输的流畅性——要保证关键数据不“丢包”。电磁兼容性、设备小型化、能源管理等问题都需要解决。“在电磁兼容性方面，既要考虑系统运行对火箭的影响，也要考虑火箭运行中复杂的电磁环境对数据传输的影响，不管是天线设计还是传输协议，我们都做了大量的工作。”路娟说。
无线传输的形式有很多种，本质上都是靠无限电磁波的形式来进行信息或者能量的传输。我们日常所说的WiFi就是一种典型的无线传输技术，可以传输语音视频等，但能耗比较高。而路娟的团队做的是一种短距离低功耗的传输技术，从最初的设计到硬件都不一样，“之所以说是WiFi，其实就是因为大家对这个概念比较熟悉，在描述的时候会类比成WiFi，但其实它们是不同的分类。”
“箭载无线传感网络”本来可以节省更多被电缆占用的空间与重量，但如果传感器不能做到小型化，这种无线传输便失去了本来的价值。路娟表示，重新设计之后的传感器，体积更小，而且更便于进行能量管理。由于采用电池供电，而且电池的体积也受到限制，所以能量管理尤为重要，一般的传感器，内部的线路都是比较简单，都进行了非常多的重新设计，虽然携带的电池很小，但是能够保证整个过程中的用电问题。
在这次发射中，火箭研制团队在箭上首次搭载该系统，完整获取了温度、高频振动、低频振动和压力4个环境参数。路娟表示，4个类型的数据覆盖了大部分的箭体测点，还有少量的，包括过载冲击等，“测点主要是根据不同火箭型号的测量需求来安排。包括这次没有搭载的热流、过载冲击等，我们都有相应的设计产品。”
　　
无线传感系统节省火箭成本
以某型号火箭为例，相比有线系统，该技术的应用可以使一级尾段减重53%，仪器舱瘦身66%，同时省去长达3到6个月的电缆设计、生产、测试等环节，并能节约大量人力物力成本。
“搭载和验证无线测量系统是此次长三乙火箭的一大尝试。”长三乙火箭总指挥金志强介绍，之前测量都是通过电缆连接，如果临时要测一些部位，全箭电缆网就要进行改动。因此，无线测量更加便捷，“相当于加了一些无线传感器和无线接收装置，你想在哪里布测点，就可以在那里加一个无线测点，再加一个无线接收装置。”
“箭载无线传感网络”针对飞行器测量应用，可以通过专用协议实现不同型号的智能自适应。路娟表示，火箭研制比较特殊，每一个型号都有不同的测量需求，以前的传感器都是要为某型火箭专门制作，“不管是哪一种型号的火箭，箭载无线传感网络都可以做到自适应，不用去专门修改设计。通用性、产品化都比较好，推广起来比较方便。”
此外，箭载无线传感网络系统采用专用的网络，安全性、可靠性均满足要求，而且摆脱了电缆的羁绊，减重效果非常明显。
我国新一代大型运载火箭长征五号采用了200多项新技术，其中，它的图像测量系统堪称史上最“豪华”，全箭共安装21个摄像头，它们就像21只“眼睛”，通过它们，设计人员可以实时监测到火箭飞行的全过程。图像测量系统主要用于监视火箭飞行过程中的关键分离动作，包括助推分离、级间分离、整流罩分离和星箭分离。
路娟介绍，影像传输的无线传感产品他们正在做，并且打算在今年年底采用带有无线摄像头的产品进行搭载试验。
“箭载无线传输网络传输速度、实时性、安全性方面都能够做到取代电缆。大趋势上来看，无线传输肯定更好，但是在现阶段，电缆传输跟无线传输更多的是一种互补，毕竟无线传输的技术还有很大的发展空间。比如一些重要的数据、完全不允许信号丢失的数据，可能用电缆传输比较好，但是未来随着我们的无限传输系统更加成熟，无电缆化是更方便的。就比如我们现在肯定优先选择手机，而不是座机来打电话。”路娟说。
路娟表示，“箭载无线传感网络”为火箭各系统提供了更为先进的测量手段，推动了火箭测量技术更新换代。未来，它将会朝着更加智能化、小型化、低能耗的方向发展。除了在火箭上应用，无线传感网络还可用于矿下预警、工业制造、环境监测、智能家居等多领域，应用前景广阔。