“夢之舟”團(tuán)隊(duì)：為飛船打造超強(qiáng)“大腦”
——記中國航天科技集團(tuán)公司五院502所飛船工程組

□ 賀喜梅

“夢之舟”團(tuán)隊(duì)：為飛船打造超強(qiáng)“大腦”
——記中國航天科技集團(tuán)公司五院502所飛船工程組

□ 賀喜梅

人人都有太空夢，而作為我國11艘神舟飛船、1艘貨運(yùn)飛船GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)的締造者，他們的太空夢更加強(qiáng)烈。在一張白紙上，他們用23年的智慧編織夢想，從成千上萬的信息流和代碼中“抽絲剝繭”，先后參與攻克了返回控制技術(shù)、自主故障診斷和應(yīng)急救生技術(shù)、交會對接控制技術(shù)等，讓太空漫步、太空之吻變成事實(shí)。

而當(dāng)面對成功時(shí)，班組長劉宗玉謙遜地說：“能承擔(dān)這樣一份神圣使命，本身就很光榮，而能不負(fù)眾望圓滿完成這項(xiàng)任務(wù)，更是光榮。”

這，就是中國航天科技集團(tuán)公司五院502所飛船工程組，一支僅19人的團(tuán)隊(duì)。因?yàn)槭冀K在“逐夢天宇，控寫傳奇”的路上，他們自稱為“夢之舟”班組。

從無到有首代GNC玩轉(zhuǎn)天地間

GNC是制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的英文縮寫。在飛船系統(tǒng)中，GNC負(fù)責(zé)飛船飛行全過程的姿態(tài)和軌道控制以及在軌太陽帆板控制。也就是說，飛船如何運(yùn)動、如何返回是由GNC決定的。正因?yàn)榇耍腥藢NC比喻為飛船的眼睛和大腦。有位從事GNC研制的專家曾說：如果沒有GNC，飛船只能停留在科學(xué)幻想的階段。

1994年，飛船工程組初成立時(shí)，只有美國和俄羅斯掌握飛船GNC技術(shù)。從哪里入手，一時(shí)間，研制人員就像“老虎吃天——無處下口”一樣，有勁使不上。

“可以說，從無到有是靠人和時(shí)間堆砌起來的。”據(jù)參與了11艘神舟飛船GNC系統(tǒng)研制的班組產(chǎn)品保證經(jīng)理李婷介紹，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)落后，大部分計(jì)算和數(shù)據(jù)判讀需要人工完成，當(dāng)時(shí)已50多歲的原班組長王南華帶領(lǐng)十幾個(gè)組員啃硬骨頭，搞設(shè)計(jì)、做計(jì)算、做測試，已經(jīng)到了癡迷的程度。他們曾經(jīng)半年時(shí)間吃住在單位，即便后來到了發(fā)射場，還在編寫控制軟件，心中的壓力如巨石一般沉重。

終于，在繼承我國返回式衛(wèi)星控制系統(tǒng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，班組參與研制出我國第一個(gè)具有制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制全部功能的GNC系統(tǒng)，并解決了系統(tǒng)的故障自主診斷和系統(tǒng)的自動重構(gòu)問題等。

此外，本著對航天員安全負(fù)責(zé)的態(tài)度，飛船工程組還在GNC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了相對獨(dú)立、滿足人體工效學(xué)、可由航天員啟動和操作的手動控制系統(tǒng)。

事實(shí)上，從神舟一號飛船到神舟五號飛船，GNC控制精度不斷提高。當(dāng)神舟五號飛船成功落地后，指揮部領(lǐng)導(dǎo)向中央?yún)R報(bào)說，神舟五號飛船“打靶”中了十環(huán)。

其實(shí)，這比中了十環(huán)要難得多。除了電視上呈現(xiàn)的完美軌跡，該班組在姿態(tài)確定與返回再入控制技術(shù)上采用了多項(xiàng)新技術(shù)，如返回再入自適應(yīng)制導(dǎo)等技術(shù)，保證了飛船具備多種條件下安全準(zhǔn)確返回的能力。

▲ “天舟”與“天宮”對接示意圖

▲ 地面測控站（船）向準(zhǔn)備對接的“天舟”“天宮”發(fā)送指令

從有到強(qiáng)強(qiáng)大腦操控“萬里穿針”

2011 年11 月3 日，天宮一號和神舟八號上使用的光學(xué)成像敏感器上演了首次“太空之吻”，性能指標(biāo)達(dá)到世界前列，對接精度比設(shè)計(jì)要求高近10倍，標(biāo)志著我國首次掌握了空間交會對接GNC技術(shù)。

那一刻，北京指揮控制中心的飛船工程組團(tuán)隊(duì)激動地抱在了一起。“起初心里很沒底，當(dāng)看到交會對接精度時(shí)，非常激動，五六年的辛苦付出值了，后續(xù)工作的信心也更足了。”盡管2005博士畢業(yè)后就來到了502所，但神舟八號是劉宗玉完整跟下來的第一個(gè)神舟型號。如今再回憶過往，他依然十分激動。

倘若說返回控制技術(shù)是神舟飛船第一代GNC系統(tǒng)的重大突破，那么交會對接技術(shù)當(dāng)屬第二代GNC系統(tǒng)的主要突破——同樣是在一張白紙上作圖，不同的是，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，他們有了快速仿真技術(shù)、虛擬測試平臺的支持。

在神舟八號飛船GNC分系統(tǒng)研制中，交會對接敏感器是最關(guān)鍵也是最難啃的硬骨頭，而其中又以光學(xué)成像敏感器、激光雷達(dá)、微波雷達(dá)的研制最為艱辛。為了在地面驗(yàn)證交會對接敏感器的性能，從2007年到2011年，飛船工程組專門模擬交會對接軌跡和環(huán)境，先后奔赴全國各地開展了性能試驗(yàn)等。

據(jù)副組長馮燁回憶，西北的冬天特別冷，白天他們冒著嚴(yán)寒測試，晚上就幾個(gè)人擠在臨時(shí)搭建的帳篷里互相取暖。而在直升機(jī)掛飛試驗(yàn)中，他們更是只能坐在夾板上判讀測試數(shù)據(jù)，顛簸得頭暈惡心。“我記得，在沙漠做試驗(yàn)時(shí)，氣溫達(dá)到40攝氏度，大巴車?yán)镩_著空調(diào)，可溫度始終降不下來。”組員劉增波說。

此外，為了實(shí)現(xiàn)對飛行器的閉環(huán)控制，飛船工程組利用現(xiàn)代信息手段，設(shè)計(jì)了交會對接敏感器模擬器，并研制了一套交會對接地面測試系統(tǒng)。也正是因?yàn)檫@些嚴(yán)絲合縫的試驗(yàn)與測試驗(yàn)證，才有了神舟八號和天宮一號的“萬里穿針”。

2013 年，神舟十號和天宮一號在太空上演了一曲優(yōu)美的舞蹈，從多個(gè)對接方向“親吻”，并首次全面驗(yàn)證了人控系統(tǒng)的高可靠性。據(jù)成員李志宇介紹，他們在地面上設(shè)計(jì)了一整套模擬座艙系統(tǒng)，并升級了計(jì)算機(jī)平臺。航天員在這里可以真實(shí)模擬太空手控操作，他們親切地稱這些全心全意為其安全考慮的航天人為老師。“每一次過來模擬操作，航天員都非常認(rèn)真，有時(shí)還會要求操作多遍。”

▲ 神舟七號飛船回收現(xiàn)場

從神舟到天舟首次實(shí)現(xiàn)全自動繞飛

作為我國首艘貨運(yùn)飛船，天舟一號已經(jīng)經(jīng)歷了與天宮二號的兩次交會對接，第一次交會對接驗(yàn)證了貨運(yùn)飛船在陽照條件下的交會對接能力，第二次交會對接前進(jìn)行了繞飛。與之前神舟十一號的繞飛不同，此次貨運(yùn)飛船繞飛是一次全自動繞飛，GNC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接到繞飛指令后自主規(guī)劃出最優(yōu)繞飛軌跡，自主進(jìn)行變軌控制，不需要地面人員的干預(yù)。

其實(shí)早在2012年，當(dāng)人們還沉浸于交會對接任務(wù)圓滿成功的喜悅中時(shí)，飛船工程組就瞄準(zhǔn)了貨運(yùn)飛船的各項(xiàng)新技術(shù)研究。在天舟一號GNC系統(tǒng)正樣硬件和軟件產(chǎn)品研制已經(jīng)完成，開始出廠前的最后測試時(shí)，有專家試探性地提出能否在天舟一號上使用一些新技術(shù)，飛船工程組興奮地答應(yīng)了。

飛船工程組需要在不打亂既定研發(fā)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，用最短的時(shí)間、做最少的改動來滿足新任務(wù)要求。為此，他們1年內(nèi)升級了多個(gè)軟件版本，并對高精度、高可靠、符合工程約束的GNC系統(tǒng)方案進(jìn)行了全方位的驗(yàn)證。

與神舟飛船不同，天舟一號貨運(yùn)飛船是全新的結(jié)構(gòu)。據(jù)負(fù)責(zé)貨運(yùn)飛船GNC分系統(tǒng)測試的組員李明明介紹，整船在初樣測試和正樣測試的基礎(chǔ)上，增加了鑒定飛船測試。所以，測試戰(zhàn)線更長、難度更大。

“尤其是初樣測試，是一個(gè)痛苦的迭代過程。從2012年8月到2014年5月，我們大都是晚上九十點(diǎn)下班，在測試中發(fā)現(xiàn)的問題以及我們認(rèn)為設(shè)計(jì)上需要改進(jìn)的地方有近200項(xiàng)。”李明明自豪地說。

2015年初，飛船進(jìn)行了近兩個(gè)月的模擬飛行測試。為了保證模飛測試順利進(jìn)行，每次模飛測試前一天，副組長馮燁都會帶領(lǐng)劉增波、王瀛、于欣欣、胡宇桑進(jìn)行一次等時(shí)長的系統(tǒng)測試。當(dāng)時(shí)恰逢春節(jié)，年初七要進(jìn)行模飛測試，他們就初六到位進(jìn)行系統(tǒng)測試。后方班組成員更是時(shí)刻準(zhǔn)備增援前方、前后連動。

工作中，班組成員“每個(gè)人心中都有一根關(guān)于‘細(xì)致’的‘弦’”。例如，加電測試階段，他們負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)參數(shù)表有600多頁，需要關(guān)注的參數(shù)有3000多個(gè)。“每個(gè)參數(shù)的變化都有可能反映系統(tǒng)的特征表現(xiàn)，即便暫時(shí)沒有表現(xiàn)出問題也要找出原因，防止一切可能出現(xiàn)的問題。”組員高偉告訴記者。

正是研制人員時(shí)刻緊繃“細(xì)致”這根“弦”，才造就了飛船組不敗的戰(zhàn)績。

“第一次交會對接時(shí)，我捏了一把冷汗，在成功那一剎那，整個(gè)北京指揮控制中心的樓宇響起震耳掌聲，我認(rèn)為這是對我們的肯定。”李明明說。

▲ 航天員劉洋在模擬座艙進(jìn)行手控模擬訓(xùn)練

新老搭配“雁陣”結(jié)構(gòu)打造最強(qiáng)梯隊(duì)

在飛船工程組，光學(xué)類、機(jī)電類、電子類等產(chǎn)品研制人員，軟件開發(fā)人員等就如同七巧板，任何一塊都不能缺。如何讓這些人才發(fā)揮出1+1＞2的效果，將型號研制與人才梯隊(duì)建設(shè)有機(jī)融合，是幾代班組長一直在思考的問題。

自然界中，“人”型雁陣是大雁飛得最快最省力的構(gòu)型，雁陣飛行速度是單只大雁的1.71倍。飛船工程組借鑒這一理念,創(chuàng)建“雁陣”人才培育模式。

早期，面對交會對接任務(wù)技術(shù)難度大、新研設(shè)備多、研制周期短等諸多難題，班組“雁陣”體系以“正、副組長為領(lǐng)頭雁、技術(shù)平臺負(fù)責(zé)人為中堅(jiān)雁、組員為前行雁”，細(xì)化“雁陣”中每個(gè)成員的具體職責(zé)，形成了良好的班組發(fā)展氛圍。

第一任“領(lǐng)頭雁”王南華是將“嚴(yán)慎細(xì)實(shí)”作風(fēng)詮釋到極致的人。她習(xí)慣隨身攜帶筆記本，把問題和要點(diǎn)隨時(shí)記錄在冊。對于每一個(gè)設(shè)計(jì)接口，她都堅(jiān)持測試到位、眼見為實(shí)。“搞航天走的是一條攀登路，任務(wù)重，風(fēng)險(xiǎn)大，只能盡一切可能做好！”王南華說。她這種嚴(yán)慎細(xì)實(shí)的作風(fēng)被“雁子們”很好地傳承了下來。

這么多年來，班組的工作狀態(tài)從十幾個(gè)人干一艘飛船變成了十幾個(gè)人干幾艘飛船，班組長也經(jīng)歷了四代，但刻苦鉆研、小心求證的精神始終不變。

“嚴(yán)慎細(xì)實(shí)說起來簡單，做起來難。載人飛船幾十件產(chǎn)品，每一個(gè)敏感器在什么階段可能出現(xiàn)什么故障，出了故障后采取什么對策……我們需要想到幾百個(gè)預(yù)案。不僅要想到，還要實(shí)實(shí)在在驗(yàn)證、測試到。”劉宗玉說。因?yàn)閷Υぷ鞅容^較真，所有測試數(shù)據(jù)必須要眼見為實(shí)，他被同事們稱之為“軸人”。

近年來，飛船組型號任務(wù)出現(xiàn)井噴式發(fā)展，立足科研生產(chǎn)任務(wù)“多型號并舉，多專業(yè)并存”的特點(diǎn)，班組衍生出“微雁陣”。“微雁陣”成員呈動態(tài)化模式，根據(jù)型號各研制階段的任務(wù)不同，“領(lǐng)頭雁”由多位技術(shù)骨干更替輪換擔(dān)任，“前行雁”呈交替式動態(tài)“位移”，在型號研制各階段負(fù)責(zé)不同的工作。

“從生物學(xué)角度考慮，大雁在飛的過程中是會交替換位的，以達(dá)到省力的效果。”副組長馮燁介紹說，“我們把不同的飛船型號作為不同的平臺，每個(gè)平臺有一個(gè)成熟的技術(shù)骨干擔(dān)任負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)幾名技術(shù)人員開展設(shè)計(jì)或測試工作。當(dāng)這幾個(gè)人逐漸成熟后，再把他們分到其他平臺的不同位置上去。”

這種新老搭配、交替換位的模式，不僅提高了工作效率，也加速了人才成長。

近年來，飛船工程組積極承擔(dān)預(yù)先研究工作，涌現(xiàn)出一大批“跨型號”“跨領(lǐng)域”的新型專業(yè)人才。他們承擔(dān)起快速仿真驗(yàn)證、數(shù)字化設(shè)計(jì)等方面工作，涉及多個(gè)“微雁陣”系統(tǒng)，是新型“跨界雁”人才，具備多項(xiàng)專業(yè)新技術(shù)。

如今，在劉宗玉的帶領(lǐng)下，幾個(gè)“微雁陣”正在新一代載人飛船GNC系統(tǒng)研制的道路上振翅飛翔，續(xù)寫“船”奇。★