​《流浪地球》的行星发动机，这里有一些你不了解的细节

《流浪地球》的行星发动机，这里有一些你不了解的细节

作者简介：马腾飞，籍贯天津，毕业于中国科学院大学近代物理研究所控制工程专业。

行星发动机（图片来自互联网）

相信看过《流浪地球》的人，对电影中的一万台“行星发动机”推动地球搬家的构想一定印象深刻，这里抛开天马行空的想象力不谈，谈谈我对行星发动机群的协同控制系统设计的看法。

若将电影中整个地球当成一个大的运载火箭来看，每一个行星发动机都可以看成一个子级发动机，根据电影中的设定，每一个单独的行星发动机在工作时都会产生百亿吨级推力，如此巨大的力量必然会对附近大气产生明显扰动，在蝴蝶效应的作用下，全球的大气都会受到不同程度的扰动；根据设定，行星发动机在运行时由于“喘振”效应，会产生类似心跳的声音，如此多的发动机同时运行会在地球上引起巨大的共振；另外从可靠性分析来看，“流浪地球”计划是地球面临危机时仓促上马的项目，行星发动机使用的是新研发的烧石头的重聚变技术，每一个行星发动机高达11km，甚至比“世界之巅”珠穆朗玛峰还要高上两千米！其主体直径约30km，加上基座直径大约50-60km。如此巨大且从未经验证的项目，其运行可靠性可想而知，这也是为什么要储备大量“火石”以备不时之需的原因，更别说在电影中还有类似木星引力引发了地震造成行星发动机宕机的不可抗力因素的存在，在复杂的外部因素和内部因素共同影响下，如何控制一万台行星发动机协调运行将是一个复杂的技术难题。

在航天飞行器动力系统设计中，为了降低复杂耦合作用带来的控制难度；提高控制系统的可靠性；增大运行效率，在技术和资源充足的情况下，单台大功率发动机方案往往是最优选项，然而受成本与技术条件所限，火箭推进系统采用的大都是多子集发动机并发方案。历史上，空间技术领先的苏联人在自己的载人登月计划中一次使用了30台发动机的子火箭——N1运载火箭，然而该计划最终以惨烈的失败告终。SpaceX公司著名的猎鹰-9火箭，使用了9台老式发动机，大大降低了成本。而 “猎鹰重型”运载火箭一子级采用了惊人的27台发动机并发方案，这当然是得益于先进的多变量反馈控制技术。

“猎鹰重型”运载火箭一子级采用了27台发动机并发方案（图片来自互联网）

回到之前的话题，若要实现《流浪地球》中夸张的一万台行星发动机协同运行的目标，必然要使用先进的多变量反馈控制技术。为了实现这一方案，每一个行星发动机附近应配备一个监测站，监测站应具有检测大气状况和地理状况等外部环境的功能。这些信息经过领航者空间站的通信功能汇总到一个总控制站。总控站的超级计算机经过对这些数据的分析计算之后得到一个复杂的过程模型，然后通过这个模型计算得到一万台行星发动机的实时多变量控制器，将控制信号发送回每个行星发动机。在行星发动机执行完这些控制指令后，部署在外太空的检测卫星应将控制结果反馈给总控制站，并实时更新模型来修正控制效果。

行星发动机多变量控制系统结构图

假设电影中的故事发生在我们的平行世界，从时间线上来看，流浪地球计划启动时间距离我们现在很近，探测技术发展水平应与这个世界的人类发展水平相当，而人类现在还不能准确预报像地震这样的快速地壳运动，同样的，在流浪地球计划启动时人类的探测技术还不足以预测到快速地壳运动等未知因素造成对行星发动机造的的快扰动。同时，由于存在信号传输延时和模型测量计算误差导致总控制器的控制信号不能满足瞬时控制要求，在进行行星发动机的控制器设计时，每个行星发动机应在附近单独配备一个子控制器，作为辅助控制器使被控对象——行星发动机满足瞬时控制要求。

虽然，在电影中木星引力引发了地震造成行星发动机大规模宕机的极端情况下，只有“饱和式”救援这种“硬重启”的解决方法，但是在少量发动机意外停机情况下，控制系统应具有使被控系统在整体稳定的基础上性能与故障前差别不大（即鲁棒稳定性）的功能。在如今的并发系统设计中，为了解决由于发动机意外宕机而引起的可靠性下降问题，往往给每个发动机留一定的功率冗余量，并设计一个鲁棒多变量控制器，在某一台发动机意外宕机时，首先诊断故障系统并对其进行隔离，之后通过调配其他发动机提供更大的瞬时功率来弥补宕机发动机造成的总功率不足。我认为设计行星发动机的控制系统时，也应该采用了这种设计思路——即通过设计一个鲁棒多变量控制器来实现能量的重新调配。总之，一个好的控制控制系统一定会设计必要的冗余来提高系统的可靠性。

无论如何，若电影中那种使一万台行星发动机协同工作的控制系统真的被设计并制造出来，那一定是一个控制工程史上的杰作。