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神舟一號曾面臨失控 最后10秒得到搶救

發布時間:2016-04-14 20:28   瀏覽 5544 次

原標題:他們在太空“放風箏”

中國青年報·中青在線記者 王達 通訊員 姜寧 祁登峰 《中國青年報》(2016年04月14日12版)

“長征七號”首飛、“天宮二號”發射、“神舟十一號”載人飛行——對于北京航天飛行控制中心來說,2016年將是重大任務接踵而至的一年。

這個位于北京西北郊外、在普通人眼中頗為神秘的機構剛剛度過了自己20歲生日。它被稱為中國載人航天和深空探測工程的“神經中樞”。在歷次重大任務中,所有的指令都從這里發出,所有的數據都在這里匯聚,所有的信息都從這里傳輸。一旦出現意外,應急決策也將在這里產生。

“如果把飛行器比作風箏,那么牽風箏線的就是北京飛控中心。當然,這根線是看不見的。”中國科學院院士葉培建介紹,通過遍布在全球的測控網,北京飛控中心可以監測飛行器的狀態、遙控飛行器完成各種動作、實現地面與航天員的音視頻通話、圖像回傳等。

“沒有北京飛控中心優質的工作,我們是完不成這么多航天任務的。”葉培建說。

“神舟一號”發射時,他們的平均年齡只有28歲

任務準備期間,46歲的北京飛控中心副主任李劍再次走進指揮大廳。在這座頻繁出現在聚光燈下的現代化大廳里,李劍聽過任務成功時同事們爆發的掌聲與歡呼聲,也見過老一代科學家喜極而泣的場景。

20年里,北京飛控中心多次成為世界矚目的焦點。從1999年執行“神舟一號”首飛任務至今,中心圓滿完成歷次載人航天、交會對接和4次探月工程任務,保持著100%的飛控成功率。

李劍見證了北京飛控中心從無到有的發展歷程。1992年,我國決定實施載人航天工程,代號“921工程”,并定下“爭八保九”的目標,即爭取在1998年、保證在1999年進行第一次飛船發射試驗。

1996年3月,北京飛控中心成立,第一座飛控大樓在西北郊外的稻田中破土動工。李劍就在這時從西安衛星測控中心調到北京飛控中心工作。他記得,飛控大樓孤零零地立在田野中,“找了好幾個出租車司機都不知道有這個地方”。

當時有人用“三無”來形容這個剛剛成立的中心:沒有一臺現成用于載人航天任務的設備,沒有一行可用的軟件代碼,沒有一本完整的飛控方案。

更緊迫的是缺人,幾個老同志帶著剛剛招聘的大學生,“大學生腦子里跟白紙一樣,連飛船長什么樣都不知道”。

“中國載人航天工程會不會因為北京飛控中心建設的速度而推遲?”一些領導表達了自己的擔憂。

“雖然時間非常緊迫,但是有效利用時間的主動權卻掌握在我們手里。”這批飛行控制領域的創業者每天活躍在飛控大廳、食堂、宿舍的三點一線之間,眼睛熬得通紅。

“有時兩三個月出去一次,忽然發現航天城外面多出來一條馬路,一問才知道是新修的。人家肯定會想,你是火星來的吧?”李劍笑著自嘲。

回過頭看,李劍認為“神舟一號”發射前的3年對他們來說是一段艱難的歲月。人員缺乏經驗,軟件平臺尚未建成,大量工程問題暴露出來,一切都在摸索之中。

就是在這樣的背景下,這群開拓者穿梭在大大小小的儀器設備和蛛絲般粗細不同的電纜、插頭間,在一次次試驗摸索中,研制出了第一代一體化航天飛行控制平臺,用以支持多種型號任務、多目標測控的需要。

漸漸地,這群青澀的大學生發現,與那些在其他單位當學生、做助手的同學相比,他們大多處在各自領域的關鍵崗位上,甚至具備了獨當一面的能力。

1999年11月20日,“神舟一號”飛船如期在酒泉航天發射場發射升空。指揮大廳里的人們沉浸在一片興奮之中,他們互相擁抱,用力鼓掌,有人還激動得流下眼淚。此時,這個創造了奇跡的年輕群體平均年齡只有28歲。

時刻準備化解危機的日子有一種迷人的魅力

2003年10月15日~16日,中國首位進入太空的航天員楊利偉巡天遨游21小時23分鐘,并在飛船上向世界發出來自中國的問候。

這是永載中華民族史冊的一刻,中國進入了載人航天的新時代。從技術角度講,由于人的出現,相關的保障更加復雜,對飛控提出了更高的要求。

“人命關天,必須確保萬無一失。”李劍說。

但要做到萬無一失太難了。他記得,“神舟一號”任務時,飛船飛行至第14圈時突然不執行中心發出的數據注入指令,如不采取措施,飛船將因失控而偏離軌道,導致返回失敗。

飛控大廳內,氣氛陡然凝固。領導命令李劍迅速拿出應急方案。在短短30分鐘內,他與同事仔細分析測控計劃,快速完成故障分析、測控條件計算,提出故障排除方案,并進行數據注入仿真驗證。最終,他在距離飛船返回程序啟動僅剩最后10秒時成功注入應急數據,使飛船按預定計劃順利返回著陸場。

“載人航天系統太龐大、太復雜,每次飛船起飛以后,就像有塊石頭壓在胸口,直到任務成功完成才能落地。”李劍記得,前幾次載人航天任務時,每當火箭發射升空時,他的腿總會不由自主地發抖。

事實上,北京飛控中心的科技人員對風險有一種高度的警惕,他們花在風險控制上的時間要遠遠多于正常任務的時間。

從“神舟二號”任務開始,李劍帶領課題組開發出“天地一體化飛行控制驗證體制”,在任務實施前,用正樣飛船、航天員乘組、實戰軟件和真實測控設備進行驗證,相當于把天上的任務先在地上演練一遍,把問題發現、解決在地面。

據李劍介紹,總體室的小伙子高宇輝用近8年時間研發了一套航天器故障診斷系統,能夠準確預判航天器故障和參數越界現象。“只要一告警,值班人員就會注意故障,大大提高了人對航天器的掌控能力”。

在李劍看來,“神舟一號”任務和交會對接任務是北京飛控中心技術攻關最艱難的兩個時期,也是風險管控壓力最大的兩個時期。

2012年6月18日,“神舟九號”與“天宮一號”進行首次載人交會對接。載人交會對接飛控事件密集,每一次控制都會有風險。

控制是根據協同工作程序實施的。傳統的協同程序編排依靠人工,“加在一起上百萬字”,不僅容易出錯,而且無法進行動態調整。

博士邢錦江主動請纓,在短時間內突破多個關鍵問題,開發出一套載人航天飛行任務飛控協同自動規劃與輔助決策支持系統,“原來需要幾個人干幾個月的工作,現在只要把配置文件做好,按一個鍵,十幾分鐘就能出結果”,大大提高了效率和應急處理能力。

按照規劃,交會對接整個過程用時7分鐘。李劍記得,為了這7分鐘不出任何差錯,總體室做了50多個監視頁面,60多種預案。這些預案就像一張隨時待命的大網,時刻準備著化解每一個環節可能出現的危險。

在大家的努力下,“神舟九號”與“天宮一號”順利完成我國首次載人交會對接。

李劍時常想起一次對話。“神舟三號”任務時,他問老領導席政:“這次任務,您覺得會出問題嗎?”

“你就把心放在肚子里吧,沒有問題!就是出了問題,我們也能解決!”時任中心主任的席政非常堅定地告訴他。

這種信心源自哪里?李劍曾無數次問自己。“我想是建立在我們對任務精益求精的準備和多次任務的磨練基礎之上,是建立在我們對飛控任務越來越熟悉、對飛控技術越來越有自信之上的。”

后來執行任務時,他會認真閱讀每一行應急預案,但不再惴惴不安,而是變得像老領導一樣氣定神閑。“飛控不僅是技術,更是藝術。”十幾年來,席政的這句話一直銘記在他的心中。

對于隨時可能出現的風險,他也有自己的理解:“每一次應急處置都是一次挑戰,時刻準備迎接挑戰,享受化解危機帶來的成就感,這也正是這個事業的魅力所在。”

探月工程的實施,關鍵在飛控,成敗在飛控

在實施載人航天工程的同時,中國人還將目光投向距離地球38萬公里的月球。

2004年春,我國繞月探測工程正式立項,決定實施“繞、落、回”三步走戰略。探月工程的測控任務落到了成立8年的北京飛控中心肩上。

在此之前,中國發射的飛行器最遠測控距離約8萬公里。而嫦娥衛星要飛過38萬公里的遙遠旅程。有領導提出,探月工程的實施,“關鍵在飛控,成敗在飛控”。

迄今為止,北京飛控中心已經圓滿完成4次嫦娥衛星測控任務。談起這4次任務,53歲的北京飛控中心總工程師周建亮如數家珍。

“‘嫦娥一號’衛星是中國第一次飛出地球的航天器,意義怎么講也不過分。”周建亮說。當“嫦娥一號”傳回首幅月球全圖時,他覺得“神話般的事情在我們手里做成了”,非常有成就感。

對于“嫦娥二號”,周建亮也有一個頗為形象的評價:“它是一顆出身卑微、夢想遠大的衛星。”

“嫦娥二號”原本是“嫦娥一號”的備份星,“輩分很低,是坐冷板凳的”。由于“嫦娥一號”任務圓滿完成,它又升級為探月二期工程的先導星,核心使命是對“嫦娥三號”衛星落月點——虹灣區域進行詳細勘察。

為此,“嫦娥二號”從200公里的繞月軌道降到近月點距月面僅15公里的成像軌道,最終獲得接近1米分辨率的影像。這次軌道控制的成功,標志著我國航天測控技術實現了新的突破。

由于軌道控制精確,完成任務后的“嫦娥二號”仍剩余充足的燃料。在中心的控制下,“嫦娥二號”從月球軌道向距離地球150萬公里的拉格朗日L2點進發。在那里,它拍攝到每隔4年接近地球一次的“圖塔蒂斯”小行星,創造了人類第一次近距離“觀察”“圖塔蒂斯”的紀錄。

隨后,超期服役的“嫦娥二號”燃料耗盡,飛向太空深處。從一顆地球衛星(月球)的衛星,連升兩級成為繞太陽飛行的小行星,周建亮說,正是北京飛控中心強大的航天測控能力支持著“嫦娥二號”,“不斷追逐夢想”。

2013年12月,“嫦娥三號”實施中國首次月球軟著陸任務,再一次展現了北京飛控中心強大的關鍵技術突破能力。

“巡視器的控制跟在軌飛行的航天器控制完全不一樣。”周建亮介紹,巡視器在月面上行走,時刻跟月面地形打交道,而且月面地形不可能事先了解,因此必須采用一種全新的控制手段——遙操作控制。

他帶領團隊開始了艱難的攻關。“巡視器的遙操作控制從來沒有過先例,地形重建、視覺定位、路徑規劃等大批新的技術需要突破。”周建亮解釋說,“這是非常密集的關鍵技術突破,難度非常大。”

最終,按照遙操作控制方法,巡視器采用視覺導航,安裝3對相機拍照。中心根據回傳照片合成三維月面地形,并在地形圖上規劃巡視器的行駛路徑,繞避開各種障礙。

此外,他們還創新了多體制深空干涉測量數據處理技術,為探月軌道確定和月面高精度定位提供了新手段;實現了三維可視化技術,通過實時數據驅動,把38萬公里外的月球拉近到眼前,讓決策人員直觀地觀看“玉兔”在月球上的一舉一動;突破了月面探測機械臂運動控制技術,實現月面就位探測的高精度控制,探測距離精確控制至毫米級。

最終,“嫦娥三號”成功實施我國首次月球軟著陸任務,著陸器和巡視器實現了精彩互拍,并傳回從月球上拍攝的第一張五星紅旗的照片。“嫦娥三號”任務取得圓滿成功,中國成為繼美國、蘇聯之后第三個實現月面軟著陸的國家。

好消息一個接一個傳來。2014年,再入返回飛行器試驗圓滿成功,探月工程三期拉開序幕。周建亮覺得,中國人距離探月工程成功越來越近。

目前,周建亮正在進行“嫦娥五號”采樣返回任務的關鍵技術攻關,“剛剛啟動了軟件的開發和飛控實施方案初稿的編寫,考驗還在后頭”。

再過二十年大家再相會

在平均年齡為34歲的一線科技人員群體為新的任務奮戰時,一群頭發花白的老人再次來到北京飛控中心。他們都是曾在這里工作過的退休干部,前來參加中心成立20周年座談會。

“跟別人聊工作經歷,我首先必然會說我是北京飛控中心的人,這是全社會為之向往的地方。”原中心老領導張聲遠說。這次參加座談會,他特意穿上了“神舟一號”任務前發的工作服,引來一片羨慕的眼光。

這些老人會前參觀了北京飛控中心20年發展圖片展,不時指著一張圖片高聲交談。“好多我們原來想做不敢做的事,你們都做成了!”原中心一室高級工程師王方德不禁感慨。

20年里,北京飛控中心圓滿完成10次神舟飛船、“天宮一號”任務,完成“嫦娥一號”“嫦娥二號”繞月探測、“嫦娥三號”落月巡視探測以及再入返回飛行試驗任務。

此外,他們還突破了一系列載人航天和探月工程飛控關鍵技術,形成了一套規范高效的飛控任務組織實施模式,構建了性能先進、運行穩定的飛控任務系統。20年里,科技人員先后自主研發了兩代飛控軟件系統,目前正在研制自主可控的第三代軟件系統。

更寶貴的是,一批高水平的青年科技骨干已經在飛控領域發揮重要作用。博士后科研工作站、航天飛行動力學技術國防科技重點實驗室也先后在北京飛控中心落地。

航天員劉旺不久前與國外同行和科研人員交流,發現對方不僅稱贊中國的技術,更稱贊中國載人航天科研人員的年齡結構。李劍也曾聽說,俄羅斯一位退休的航天中心主任來參觀后感慨:“你們有這么多黑頭發的航天測控人,真讓人羨慕!”

對于未來,這群充滿干勁兒的科研人員也已經做好了準備。據北京飛控中心主任陳宏敏介紹,中心過去的20年先后經歷了艱苦奮斗、創建起步,完善功能、實現突破,開辟領域、使命拓展,攻堅克難、全面提高4個發展階段。現在中心已進入了面向未來、創新發展的嶄新階段。從2016年~2022年,中心將連續執行載人航天工程、探月工程以及自主火星探測任務,總數達20次,平均每年近4次。除了任務密度高,還將面臨“新火箭、新發射場、新飛行器、新任務平臺”的形勢。

“我覺得大家非常了不起!”座談會上,代表老專家發言的王方德提高嗓門說,“我想再過20年,大家再相會!”他的話音剛落,現場就響起了飛控人熱烈的掌聲。

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