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神舟上天20年,这个时代的记忆背后有他们!

1999年11月20日,

20层楼高的长征二号F运载火箭

从酒泉卫星发射中心腾空而起,

搭载着中国第一艘宇宙飞船“神舟一号”奔向宇宙,

这是中国载人航天工程的起步,

20年过去,

一代代航天人的奋斗、成长和接力,

让我国从一片空白到可上九天揽月。

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在国防科大一号院西北角,一栋乳白色大楼上矗立着两个大字——空天。在晴空蓝天白云的映衬下,这两个字红得格外耀目。空天科学学院应用力学系作为中国载人航天工程重要承研单位,于今年被授予“载人航天工程突出贡献集体”荣誉称号。

 

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这支集体几乎是伴随我国载人航天工程一块成长的。上世纪90年代,我国进行载人航天工程论证时,他们便已参与其中。但与此同时,他们又非常年轻,因为应用力学系于2017年组建,其前身为航天科学与工程学院宇航科学与工程系、军事航天系各一部分。该团队的数个研究方向均长期致力于工程总体系列飞行任务联合仿真、空间交会对接飞行任务规划、逃逸救生与回收着陆仿真、先进关键参数测量等关键任务,是承担我国载人航天关键技术攻关的“国家队”。

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在学院实验室中,以一定比例缩小、模拟空间实验室和载人飞船交会对接的仿真模型占据了大半个房间,天宫二号和神舟十一号的交会对接飞行任务规划系统就出自这里。

回忆起2016年神舟十一号与天宫二号对接时的直播画面,应用力学系主任罗亚中仍有几丝兴奋。这次对接的轨道与未来我国空间站允许轨道高度基本相同,两名航天员在天宫二号驻留时间达30天之久,是我国持续时间最长的一次载人飞行任务,也是在为未来的中国空间站建设铺路。这样意义重大的任务对该团队来说是“驾轻就熟”。因为神八和天宫一号的历史性对接,以及神九和天宫一号完成的首次载人交会对接,其交会对接飞行任务规划系统,均出自他们之手。

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罗亚中(中)

如此成绩,得益于团队紧密结合载人航天二期工程实际需求,早在2001年就着手开始研究“交会对接”。那时我国载人航天工程刚起步不久,“交会对接”几乎没有技术积累、有价值的参考资料很少,该课题挑战性极大,令许多科研单位望而却步。明知山有虎、偏向虎山行,承担该项任务的我校团队在一片黑暗中摸索。这次获得“载人航天工程突出贡献者”荣誉的罗亚中,那时还是在读硕士,为了这个课题,他在硕士的最后一年更换了自己的研究方向。为解决“飞行任务规划”这个交会对接领域公认的技术难题,他找遍国内外相关论文和技术报告,将国际上数十种最新规划算法全部验证一遍,每天工作时间在十几个小时以上。

在2004年至2011年间,罗亚中所在的团队经过不懈努力,解决了远距离导引轨道变轨规划、故障应急策略设计、飞行程序编排等一个个技术难点,建立了一套先进的交会对接飞行任务规划模型算法,研制出我国首套面向工程应用的交会对接飞行任务规划系统,为我国首次“太空之吻”的成功发挥了关键作用。

 

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从2010年开始,团队开始研制交会对接全任务闭环仿真系统,将航天员系统、载人航天飞船系统等载人航天七大系统一同进行跨系统大型联合仿真研制,通过多次演练来发现问题和改进。如果没有仿真系统进行模拟预演,假设航天器在天上出现问题,代价将极其惨重。

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可以说,这个系统是把空间实验室、载人航天器等以数据形式统统“搬进”实验室,仿真系统的研制有多难?用应用力学系教授李海阳的话来说:“真实就是个无底洞。”模拟真实意味着永远没有最真,载人航天系统组成复杂、规模庞大、成本昂贵、难以复现等难题,又如遍地荆棘。啃硬骨头,是这支队伍的优良传统。为了让“仿真”尽可能贴近真实,团队成员几乎少有节假日和周末概念,有时候仿真结果出了问题,要一个数据一个数据查找错误,一行行数据密密麻麻,光看一遍就要几个小时。一天下来,大家往往要对着不断滚动数据的电脑屏幕盯上十几个小时。

在北京联调现场,他们负责现场协调、仿真试验操作、试验结果分析和总结报告撰写,是所有参试单位中任务最重的,每天清晨他们必须赶在其他单位上班之前启动系统、完成试验配置,等其他单位走完脚本下班回家,他们又要对当天试验数据进行分析整理,深夜才离开。凭着一股子韧劲,团队圆满完成由他们牵头负责的系统整体方案设计与系统集成,以及定轨数据模拟等10个核心软件模块的研制工作。

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于起峰院士与团队

在对真实的追求中,如何更好地用数据度量真实,是于起峰院士所带领的队伍一直不懈钻研的问题。送一名航天员上天和送两名的不同之处在哪?这绝不是一加一的叠加,神六飞行员费俊龙和聂海胜上天后会在舱内穿梭运动,这个过程会不会产生摄动干扰?

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费俊龙与聂海胜在神舟六号返回舱内进行演练

为研究此问题,团队研制了航天员在轨运动测量系统,应用于航天员在轨人体运动参数测量,后来此系统还为天宫二号的相关分析提供了重要实测数据。这只是团队测量工作中的一部分。团队先后为载人航天工程多个分系统研制了关键参数测量,比如在发射段,火箭箭体必须垂直发射,否则一定失败,团队研制的飞船待发段箭体倾倒角度监测预警,有力保障了发射安全。发射基地过去光测判读手段效率低、可测参数少,团队创新研制的靶场光测判读系统和靶场目标三维姿态测量方法,让其“鸟枪换炮”,如今发射基地所用光测设备可靠性和精度都更高。团队的测量技术还在逃逸飞行试验运动参数测量、返回舱抛投实验运动参数测量等诸多方面应用。正如于院士所说,他们的追求是:“有必要测量一切可测的,并努力使尚不可测的成为可测。”


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发射段和回收段是航天中最惊险、最可能出故障的阶段,逃逸救生和降落伞回收分别是以上两个阶段中为航天员安全保驾护航的关键技术。逃逸救生系统是CZ-2F运载火箭独有的系统,其研制依托系统仿真技术,以数字试验全面代替低空和高空飞行试验,这是工程研制中的一大创举。这项技术的核心是逃逸救生仿真系统,牵头完成该系统的唐国金教授,也是集体中首个荣获“载人航天工程突出贡献者”荣誉的人。为验证系统性能,唐教授带队参加了中国唯一一次航天逃逸装置零高度飞行试验。

1998年10月19日上午9点,在酒泉卫星发射基地,随着震天动地的轰鸣,火箭逃逸飞行器腾空而起,在1.9公里高空,飞船返回舱与逃逸飞行器分离,降落伞开伞……逃逸飞行器干净利落完成了所有规定动作,试验结果如教科书一般完美。这是我国航天史上第一次带有载人色彩的航天飞行试验,其试验成败直接关系到中国载人航天工程的总体进度。 



 

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李海阳(中)

当时还是学生的李海阳全程参加了逃逸救生仿真系统的研制,对航天系统的分析与仿真产生了浓厚兴趣,从此一头扎进该领域,最疯狂的时候他每天只睡四五个小时,连出差在火车上都随身带着纸笔,一有新想法立马写下来。2003年非典时北京戒严,已经是老师和该方向骨干的李海阳,正和其他成员一道在北京负责应急救生系统的联试联调任务,任务重、时间紧,他们顶着戒严照样干,宾馆住客到最后只剩他们。后来,由李海阳主持完成的“逃逸与应急救生仿真系统的研制及箭船联合救生仿真分析”项目在神三至神十一中得到持续应用,李海阳成为集体里第二个“载人航天工程突出贡献者”。

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神舟二号在酒泉卫星发射中心发射升空

在回收段,曾有一次重大事故险些让中国载人航天工程停摆。这次事件在神五航天员杨利伟接受采访时首次公开披露:“‘神舟二号’返回时,降落伞没有打开,返回舱硬着陆,如果人在里面,必死无疑。”那是2001年,神舟二号返回时距春节还有一周,在国人喜气洋洋预备除旧迎新之际,秦子增教授却带着队伍匆匆奔赴北京,面对神二千疮百孔的返回舱,人人神情凝重,团队整个春节都扎在神舟二号的故障分析中。

降落伞回收系统是动力学中最复杂的系统,地面十公里以内的风变化非常频繁,不确定因素极多,不仅要找出哪块出了问题,还要不断做空投验证,其过程反反复复,极其磨人。为避免计算出错,秦子增想出一个法子,让几个成员背对背,彼此用不同方法、不同程序,验证同一问题,然后交叉比对验证结果。“那时我们早上七点起床就开始干,不午休,一直到晚上十二点,每日如此。”参与这段攻关的张青斌副教授回忆道。后来他们成功解决了降落伞拉直过程中的绳帆现象,并为神八、神九设计了牵顶伞。团队研制的国内首套航天器回收着陆半实物仿真系统,直接服务于神七到神十一的载人飞船任务,为飞船的成功回收着陆做出了重要贡献。神舟飞船首任总设计师戚发韧院士评价该系统“达到了国际先进水平”。

面对荣誉,这支“战功赫赫”的集体并未陶醉,而是早已踏上新征程。他们说,下一个目标是载人探月。

 


作者:颜瑾、姚宏