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“梦之舟”团队:为飞船打造超强“大脑”
来源:中国航天报     日期:2017/08/25    字体:【】【】【

人人都有太空梦,而作为我国11艘神舟飞船、1艘货运飞船GNC(制导、导航与控制)系统的缔造者,他们的太空梦更加强烈。在一张白纸上,他们用23年的智慧编织梦想,从成千上万的信息流和代码中“抽丝剥茧”,先后参与攻克了返回控制技术、自主故障诊断和应急救生技术、交会对接控制技术等,让太空漫步、太空之吻变成事实。

而当面对鲜花和荣誉时,班组长刘宗玉谦逊地说:“能承担这样一份神圣使命,本身就很光荣,而能不负众望圆满完成这项任务,更是光荣。”

这,就是中国航天科技集团公司五院502所飞船工程组,一支仅19人的团队。因为始终在“逐梦天宇,控写传奇”的路上,他们自称为“梦之舟”班组。

从无到有 首代GNC玩转天地间

GNC是制导、导航与控制的英文缩写。在飞船系统中,GNC负责飞船飞行全过程的姿态和轨道控制以及在轨太阳帆板控制。也就是说,飞船如何运动、如何返回是由GNC决定的。正因如此,有人将GNC比喻为飞船的眼睛和大脑。

有位从事GNC研制的专家曾说:如果没有GNC,飞船只能停留在科学幻想的阶段。

1994年,飞船工程组初成立时,只有美国和俄罗斯掌握飞船GNC技术。从哪里入手,一时间,研制人员就像“老虎吃天——无处下口”一样,有劲使不上。

“可以说,从无到有是靠人和时间堆砌起来的。”据参与了11艘神舟飞船GNC系统研制的班组产品保证经理李婷介绍,当时的计算机落后,大部分计算和数据判读需要人工完成。当时已50多岁的原班组长王南华带领十几个组员啃硬骨头,搞设计、做计算、做测试,已经到了痴迷的程度。他们曾经半年时间吃住在单位,即便后来到了发射场,还在编写控制软件,心中的压力如巨石一般沉重。

终于,在继承我国返回式卫星控制系统成熟技术的基础上,班组参与研制出我国第一个具有制导、导航和控制全部功能的GNC系统,并且解决了系统的故障自主诊断和系统的自动重构等问题。

此外,本着对航天员安全负责的态度,飞船工程组还在GNC系统中设计了相对独立、满足人体工效学、可由航天员启动和操作的手动控制系统。

事实上,从神舟一号飞船到神舟五号飞船,GNC控制精度不断提高。当神舟五号飞船成功落地后,指挥部领导向中央汇报说,神舟五号飞船“打靶”中了十环。

其实,这比中了十环要难得多。除了电视上呈现的完美轨迹,班组在姿态确定与返回再入控制技术上还采用了多项新技术,如返回再入自适应制导技术等,保证了飞船具备多种条件下安全准确返回的能力,并开发出全面的地面验证系统。

从有到强 超强大脑操控“万里穿针”

2011年11月3日,天宫一号和神舟八号上使用的光学成像敏感器上演了首次“太空之吻”,性能指标达到世界前列,对接精度比设计要求高近10倍,标志着我国首次掌握了空间交会对接GNC技术。

那一刻,北京航天飞行控制中心的飞船工程组团队激动地抱在了一起。“起初心里没底,当看到交会对接精度时,非常激动,五六年的辛苦付出值了,后续工作的信心更足了。”尽管2005博士毕业后就来到了502所,但神舟八号是刘宗玉完整跟下来的第一个神舟型号。如今再回忆过往,他依然十分激动。

倘若说返回控制技术是神舟飞船第一代GNC系统的重大突破,那么交会对接技术当属第二代GNC系统的主要突破——同样是在一张白纸上作图,不同的是,随着现代信息技术的发展,他们有了快速仿真技术、虚拟测试平台的支持。

“通过仿真设计,提出指标和要求,形成任务书,然后把任务书变成一个个产品,通过充分细致的测试、试验验证使设计‘迭代’。”班组成员郝慧如此描述他们的工作。

在神舟八号GNC分系统研制中,交会对接敏感器是最关键也是最难啃的硬骨头,而其中又以光学成像敏感器、激光雷达、微波雷达的研制最为艰辛。为了在地面验证交会对接敏感器的性能,2007年~2011年,飞船工程组专门模拟交会对接轨迹和环境,先后奔赴全国多地开展了性能试验。

据副组长冯烨回忆,西北的冬天特别冷,白天他们冒着严寒测试,晚上就几个人挤在帐篷里互相取暖。在直升机挂飞试验中,他们更是只能坐在夹板上判读测试数据,颠簸得头晕恶心。“我记得,在沙漠里做试验时,气温达到40摄氏度,大巴车里开着空调,可温度始终降不下来。”组员刘增波说。

此外,为了实现对飞行器的闭环控制,飞船工程组利用现代信息手段,设计了交会对接敏感器模拟器,并研制了一套交会对接地面测试系统。也正是因为这些严丝合缝的试验与测试验证,才有了神舟八号和天宫一号的“万里穿针”。

2013年,神舟十号和天宫一号在太空上演了一曲优美的舞蹈,从多个对接方向“亲吻”,并首次全面验证了人控系统的高可靠性。据组员李志宇介绍,他们设计了一整套模拟座舱系统,并升级了计算机平台。航天员在这里可以真实模拟太空手控操作,他们亲切地称这些全心全意为其安全考虑的航天人为老师。

“每一次过来模拟操作,航天员都非常认真,有时还会要求操作多遍。”李志宇说。

从神舟到天舟首次实现全自动绕飞

作为我国首艘货运飞船,天舟一号目前已经经历了与天宫二号的两次交会对接。第一次交会对接验证了货运飞船在阳照条件下的交会对接能力,第二次交会对接前进行了绕飞。与之前神舟十一号的绕飞不同,此次货运飞船绕飞是一次全自动绕飞:GNC系统的计算机接到绕飞指令后自主规划出最优绕飞轨迹,自主进行变轨控制,不需要地面人员的干预。

其实早在2012年,当人们还沉浸于交会对接任务圆满成功的喜悦中时,飞船工程组就瞄准了货运飞船的各项新技术研究。在天舟一号GNC系统正样硬件和软件产品研制已经完成,开始出厂前的最后测试时,有专家试探性地提出能否在天舟一号上使用一些新技术,飞船工程组兴奋地答应了。他们着实为自己的先见之明高兴了一番。

飞船工程组需要在不打乱既定研发计划的基础上,用最短的时间、做最少的改动来满足新任务要求。为此,他们1年内升级了多个软件版本,并对高精度、高可靠、符合工程约束的GNC系统方案进行了全方位验证。

与神舟飞船不同,天舟一号货运飞船是全新的结构。据负责货运飞船GNC分系统测试的组员李明明介绍,整船在初样测试和正样测试的基础上,增加了鉴定飞船测试。所以,测试战线更长、难度更大。

“尤其是初样测试,是一个痛苦的迭代过程。从2012年8月至2014年5月,我们大都是晚上九十点下班,在测试中发现的问题以及认为设计上需要改进的地方有近200项。”李明明自豪地说。

2015年初,飞船进行了近两个月的模拟飞行测试。为了保证模飞测试顺利进行,每次模飞测试前一天,副组长冯烨都会带领刘增波、王瀛、于欣欣、胡宇桑进行一次等时长的系统测试。

当时恰逢春节,年初七要进行模飞测试,他们就初六到位进行系统测试。后方班组成员更是时刻准备增援前方、前后联动。他们“每个人心中都有一根关于‘细致’的‘弦’”。

例如,加电测试阶段,他们负责的数据参数表有600多页,需要关注的参数有3000多个。“每个参数的变化都有可能反映系统的特征表现,即便暂时没有表现出问题也要找出原因,防止一切可能出现的问题。”组员高伟告诉记者。

正是研制人员时刻紧绷“细致”这根“弦”,才造就了飞船工程组不败的战绩。

“第一次交会对接时,我捏了一把冷汗,在成功那一刹那,整个北京航天飞行控制中心的楼宇响起震耳掌声,我认为这是对我们的肯定。”李明明说。

新老搭配 “雁阵”结构打造最强梯队

在飞船工程组,光学类、机电类、电子类等产品研制人员,软件开发人员等就如同七巧板,任何一块都不能缺。如何让这些人才发挥出1+1>2的效果,将型号研制与人才梯队建设有机融合,是几代班组长一直在思考的问题。

自然界中,“人”型雁阵是大雁飞得最快最省力的构型,雁阵飞行速度是单只大雁的1.71倍。飞船工程组借鉴这一理念,创建“雁阵”人才培育模式。

早期,面对交会对接任务技术难度大、新研设备多、研制周期短等诸多难题,班组“雁阵”体系以“正、副组长为领头雁、技术平台负责人为中坚雁、组员为前行雁”,细化“雁阵”中每个成员的具体职责,形成了良好的班组发展氛围。

第一任“领头雁”王南华是将“严慎细实”作风诠释到极致的人。她习惯随身携带笔记本,把问题和要点随时记录在册。对于每一个设计接口,她都坚持测试到位、眼见为实。“搞航天走的是一条攀登路,任务重,风险大,只能尽一切可能做好!”王南华说。她这种严慎细实的作风被“雁子们”很好地传承了下来。

这么多年来,班组的工作状态从十几个人干一艘飞船变成了十几个人干几艘飞船,班组长也经历了四代,但刻苦钻研、小心求证的精神始终不变。

“严慎细实说起来简单,做起来难。载人飞船几十件产品,每一个敏感器在什么阶段可能出现什么故障,出故障后采取什么对策……我们需要想到几百个预案。不仅要想到,还要验证、测试到。”刘宗玉说。因为对待工作较真,所有测试数据必须要眼见为实,他被同事们称之为“轴人”。

近年来,型号任务呈井喷式发展,立足科研生产任务“多型号并举,多专业并存”的特点,班组衍生出“微雁阵”。“微雁阵”成员呈动态化模式,根据型号各研制阶段的任务不同,“领头雁”由多位技术骨干更替轮换担任,“前行雁”呈交替式动态“位移”,在型号研制各阶段负责不同的工作。

“从生物学角度考虑,大雁在飞的过程中是会交替换位的,以达到省力的效果。”冯烨介绍说,“我们把不同的飞船型号作为不同的平台,每个平台有一个成熟的技术骨干担任负责人,带领几名技术人员开展设计或测试工作。当这几个人逐渐成熟后,再把他们分到其他平台的不同位置上去。”

这种新老搭配、交替换位的模式,不仅提高了工作效率,也加速了人才成长。例如,在冯烨带领的天舟一号测试团队中,于欣欣曾参与神舟八号测试,王瀛曾参与神舟九号测试,李明明和胡宇桑从未参与过测试工作。在上百次测试的锤炼中,本就理论功底深厚的李明明博士如今已是独当一面的中坚力量。

近年来,飞船工程组积极承担预先研究工作,涌现出一大批“跨型号”“跨领域”的新型专业人才。他们承担起快速仿真验证、数字化设计等方面工作,涉及多个“微雁阵”系统,是新型“跨界雁”人才,具备多项专业新技术。

如今,在刘宗玉的带领下,几个“微雁阵”正在新一代载人飞船GNC系统研制道路上振翅飞翔,续写“船”奇。(贺喜梅)

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