新聞哥：訪飛船大腦設計者 確保飛船安全回家

　　人民網北京10月21日電(趙竹青)“如果沒有GNC,飛船隻能停留在科學幻想的階段。”什麼是GNC?它為何如此重要?帶着這個問題,記者走進了中國航天科技集團公司五院502所飛船工程組。

　　他們是我國11艘神舟飛船、1艘貨運飛船GNC系統的締造者,從成千上萬的信息流和代碼中“抽絲剝繭”,讓太空漫步、太空之吻一步步變成現實。

　　從無到有,確保飛船安全回家

　　GNC,是制導導航與控制的英文縮寫,相當於飛船的“眼睛”和“大腦”。它負責飛船飛行全過程的姿態和軌道控制以及在軌太陽帆板控制。也就是説,飛船如何運動、如何返回是由GNC決定的。

　　1994年,飛船工程組初成立時,只有美國和俄羅斯掌握飛船GNC技術。

　　“可以説,從無到有是靠人和時間堆砌起來的。”據參與了11艘神舟飛船GNC系統研製的班組產品保證經理李婷介紹,當時的計算機落後,大部分計算和數據判讀需要人工完成,當時已50多歲的原班組長王南華帶領十幾個組員不分晝夜地做設計、計算、測試。“已經到了痴迷的程度。他們曾經半年時間吃住在單位,即便後來到了發射場,還在編寫控制軟件。”

　　終於,在繼承我國返回式衞星控制系統成熟技術的基礎上,該班組拿出了我國第一個具有制導、導航和控制全部功能的GNC系統,並且能夠做到“一重故障正常,兩重故障安全”,確保航天員的安全。

　　為了讓航天員從太空“回家”時能夠更有方向感,飛船落點更精準,在型號領導及專家的帶領下,班組成員在飛船的姿態確定與返回再入控制技術上下了大功夫,先後突破了多項新技術,如在軌姿態對準技術、返回再入自適應制導技術等,保證了飛船具備多種條件下安全準確返回的能力。同時,班組還從技術總體角度突破了高可靠三級容錯控制計算機、大規模嵌入式GNC 軟件、具有消隱功能的新型紅外地球敏感器等關鍵產品和技術,設計並開發了全面的地面驗證系統。最終,神舟五號落地時“打靶中了十環”。

　　從有到強,操控飛船“萬里穿針”

　　倘若説攻克返回控制技術是神舟飛船第一代GNC系統,那麼攻克交會對接技術當屬第二代GNC系統。

　　2011 年11 月3 日,天宮一號和神舟八號上使用的光學成像敏感器上演了首次“太空之吻”,對接精度比設計要求高近10倍,性能指標達到世界前列,標誌着我國首次掌握了空間交會對接GNC技術。

　　那一刻,北京指揮控制中心的飛船工程組團隊激動地抱在了一起。“起初心裏很沒底,當看到交會對接精度時,非常激動,五六年的辛苦付出值了,後續工作的信心也更足了。”班組長劉宗玉回憶起來,仍然難掩激動。

　　相比第一代的“刀耕火種”,現在的他們有了更加強大的工具:快速仿真技術、虛擬測試平台等現代信息技術的支持。“通過仿真設計,提出指標和要求,形成任務書,然後把任務書變成一個個產品,通過充分細緻的測試、試驗驗證使設計‘迭代’。”班組成員郝慧如此描述他們的工作。

　　在神舟八號飛船GNC分系統研製中,交會對接敏感器是最關鍵也是最難啃的硬骨頭。為了在地面驗證其性能,2007年-2011年,飛船工程組專門模擬交會對接軌跡和環境,先後奔赴阿拉善等地開展試驗。

　　據副組長馮燁回憶,阿拉善的冬天特別冷,白天他們冒着嚴寒測試,晚上就幾個人擠在臨時搭建的帳篷裏互相取暖。而在掛飛試驗中,他們更是隻能坐在夾板上判讀測試數據,顛簸得頭暈噁心。“我記得,在酒泉做試驗時,氣温達到40攝氏度,大巴車裏開着空調,可温度始終降不下來。”組員劉增波説。

　　正是因為這些嚴絲合縫的試驗與測試驗證,才有了神舟八號和天宮一號精準漂亮的“萬里穿針”。

　　有趣的是,為了幫助航天員訓練,他們在地面上設計了一整套模擬座艙系統,航天員在這裏可以真實模擬太空手控交會對接操作。“於是,這裏成了全國首個‘太空駕校’,航天員每一次過來模擬操作時都非常認真,有時還會要求多操作幾遍。”班組成員李志宇説。

　　從神舟到天舟,交會時長縮至1/8

　　2017年9月12日,我國首艘貨運飛船天舟一號與天宮二號實現了首次快速交會對接,從入軌到交會對接的全過程,由以往的2天縮短至6.5個小時。

　　其實早在2012年,當人們還沉浸於交會對接任務圓滿成功的喜悦中時,飛船工程組就瞄準了快速交會對接這項新技術。2015年末,天舟一號GNC系統正樣硬件和軟件產品研製已經完成,開始出廠前最後階段的測試,而這時有專家試探性地提出能否在天舟一號上實現快速交會對接,飛船工程組興奮地答應了,他們着實為自己的先見之明高興了一番。

　　飛船工程組需要在不打亂既定研發計劃的基礎上,用最短的時間、做最少的改動來滿足新任務要求。為此,他們1年內升級了10個軟件版本,有效提高了在工程約束下的GNC系統的精度和可靠性,也讓飛船變得更聰明,更自主,把原來需要地面干預的工作交給天舟一號計算機自主進行……

　　負責貨運飛船GNC分系統測試的組員李明明説,飛船的初樣測試是一個痛苦的迭代過程,因為總會發現問題,然後進行設計改進、再測試……“從2012年8月~2014年5月,我們大都是晚上九十點下班。”

　　工作中,班組成員“每個人心中都有一根關於‘細緻’的‘弦’”。例如,加電測試階段,他們負責的數據參數表有600多頁,需要關注的參數有3000多個。“每個參數的變化都有可能反映系統的特徵表現,即便暫時沒有表現出問題也要找出原因,防止一切可能出現的問題。”組員高偉告訴記者。

　　新老搭配,“雁陣”團隊平均33歲

　　記者在採訪中瞭解到,在飛船工程組內部,不同專業領域人員就如同七巧板,任何一塊都不能缺。如何讓這些人才發揮出1+1>2的效果,將型號研製與人才梯隊建設有機融合,是幾代班組長一直在踐行的課題。

　　他們想到,自然界中,“人”型雁陣是大雁飛得最快最省力的構型,雁陣飛行速度是單隻大雁的1.71倍。因此,飛船工程組借鑑這一理念,首創了“雁陣”人才培育模式——正、副組長為領頭雁,負責領飛;技術平台負責人為中堅雁,負責帶飛;組員為前行雁,負責跟飛。

　　據瞭解,第一任“領頭雁”王南華是將“嚴慎細實”作風詮釋到極致的人。她習慣隨身攜帶筆記本,把問題和要點隨時記錄在冊。對於每一個設計接口,他都堅持測試到位、眼見為實。當時已是50多歲的她,每次測試都陪年輕人工作到深夜兩三點。“搞航天走的是一條攀登路,任務重,風險大,只能盡一切可能做好!”王南華説。她這種嚴慎細實的作風被“陣裏的雁子們”很好地傳承了下來。

　　近年來,飛船組型號任務出現井噴式發展,班組又衍生出了動態化的“微雁陣”。“從生物學角度考慮,大雁在飛的過程中是會交替換位的,以達到省力的效果。”副組長馮燁介紹説,“我們把不同的飛船型號作為不同的平台,每個平台有一個成熟的技術骨幹擔任負責人,帶領幾名技術人員開展設計或測試工作。當這幾個人逐漸成熟後,再把他們分到其他平台的不同位置上去。”

　　這種新老搭配、交替換位的模式,不僅提高了工作效率,也加速了人才的成長。目前,飛船工程組全部成員僅有19人,平均年齡還不到33歲。“小團隊”做出了“大成績”。未來,他們將用自己的雙手,續寫中國人的太空傳奇,將越來越多的夢想變成現實。