敢啃能啃硬骨头 揭秘我国首次交会对接背后“难关”

空间交会对接技术是一个国家航天技术实力的集中体现。7月24日,问天实验舱与天和核心舱组合体交会对接成功,历时13小时。而今年6月5日,神舟十四号载人飞船与天和核心舱对接,只用了7小时。要知道,在11年前,神舟八号飞船第一次跟天宫一号交会对接,历时2天,约48小时。历经11年,将交会对接的速度提高了将近7倍,这是如何做到的?

北京航天飞行控制中心问天实验舱任务总师 邹雪梅:这是我们首次实施大型舱段在轨的交会对接,总的来说整个交会对接过程控制非常精准,完成得很圆满。

问天实验舱与天和核心舱组合体的交会对接,是我国两个20吨级航天器首次在轨实现交会对接,也是空间站有航天员在轨驻留期间首次进行空间交会对接。

北京航天飞行控制中心副总师 汪赛进:这次整个对接持续时间相对较长,标称的时间大概是13个小时左右。主要原因是入轨之后,问天实验舱跟组合体相距大概是有6000多公里。那么在远距离导引6次控制之前,就是整个过程(问天实验舱)在后面追击核心舱,那么就要进行一些平台的测试工作。

航天科技集团五院502所交会对接首席专家 解永春:问天实验舱对于实验舱来讲,它是首发的一个航天器,我们根据它的性能,为它适应性的做了一个快速交会对接的方案。所以我们现在问天的交会对接方案是在神舟十四号,包括天舟四号,快速交会对接的基础上,又进一步进行了适应性的调整。

解永春,航天科技集团五院502所空间交会对接领域技术首席专家。从神舟八号我国第一次交会对接至今,解永春都是交会对接控制团队的领头人。

空间交会对接被形象地称为“万里穿针”,控制是核心。靠拢、接近、锁紧,在任务完成阶段的最后几分钟里,呈现在世人面前的交会对接,看起来似乎很“简单”,但看似简单的操作背后,在万里之外的太空要实现控制,每一个环节都极其复杂。中国的交会对接技术预研起步于上世纪末。1999年,解永春在导师吴宏鑫指导下,和同事开始了交会对接控制的理论研究。

航天科技集团五院502所研发中心副主任 胡海霞:吴(宏鑫)院士经常教导我们敢啃硬骨头、能坐冷板凳,这个硬骨头你比如说像当年我们花10年搞交会对接,交会对接技术就是个硬骨头。

航天科技集团科技委顾问 吴宏鑫院士:敢不敢啃硬骨头,也是你的意志和对方向的认定的问题。你不敢啃硬骨头,说明你自己心里也不踏实。敢啃建立在什么基础上?我肯定能搞出来!当然可能不是一年两年,要坐十年冷板凳,十年,你要有这个精神才行。

“交会对接”技术有很多难啃的硬骨头,在这些硬骨头中,控制参数的设计更是难中之难。神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器对接,这是我国航天史上第一次空间交会对接。可是,鲜为人知的是,在任务前一天,解永春团队的方案才获得专家评审通过。

2011年年初,神舟八号交会对接任务已经进入了倒计时。但恰在此时,随着仿真试验的进程,交会对接控制系统的技术问题不断暴露出来。在一次测试试验中,飞船姿态控制出现了振荡现象。

航天科技集团五院502所研发中心副主任 胡海霞:在对接的时候,它是需要姿态和位置的误差都很小,你才能对上,对吧?你姿态一直这么抖,肯定是对你最后的对接精度(有影响),影响你的成败。

当时,飞船的控制参数纯靠人的经验手工进行调试,参数确定了之后,还得进行大量的打靶仿真。仿真试验是航天器上天的通行证,打靶必须每次都通过,才能确保交会对接万无一失。但当时,解永春带领团队在针对太空恶劣工况的打靶仿真中,做了近千次的试验,始终有几次通不过。

飞船控制参数设计在理论和工程上都是难题,国内外都没有现成的解决办法,只有自主创新,才能解决问题。交会对接技术研制过程中,吴宏鑫院士是技术指导专家。吴院士鼓励解永春把她博士论文中的“黄金分割系数”理论应用到飞船控制参数设计上。但眼看着离发射日期越来越近,解永春带领的团队打靶依然没有过关,上级领导把吴院士找来坐镇指挥。

航天科技集团科技委顾问 吴宏鑫院士:我私下里让我的一个硕士生做了仿真,究竟问题出在哪里。做完仿真我知道了,这个理论方法是对的,没错,但她(解永春)做得不行。后来我就把解永春说了一通,我说你都不如我的一个硕士生。

航天科技集团五院502所交会对接首席专家 解永春:我就觉得其实是你不了解我,我怎么会不如她对吧?所以我就说非得要给你把这个用上去看看。

航天科技集团科技委顾问 吴宏鑫院士:解永春这个人一有个优点,不服输、好强。你要说她不行,她绝不罢休。

吴宏鑫对解永春性格的了解,起源于她念博士期间。1994年,解永春有关黄金分割理论的论文发表了,应用成果获得了航天工业部科技进步三等奖。以此为基础,解永春满以为毕业没问题了,没想到被导师吴宏鑫浇了一盆冷水。

航天科技集团科技委顾问 吴宏鑫院士:理论上没过关,要她证明(黄金分割系数的)稳定性,她没证明出来。她自己觉得我这个已经是又得了奖,而且做法又很好,怎么不行?我说那不行,不能通过。(解永春)那时哭,瘦得不得了。屠善澄老先生(院士),他说老吴你就放她一马吧,那我说不能放,这个放了她是害了她一辈子,她必须要过关。

生性倔强的解永春哭着离开了导师家,但随后四个多月,她把自己关在图书馆里日夜用功,终于攻克了黄金分割系数的理论难关。毕业答辩通过的那一刻,瘦得只剩80多斤的解永春笑得格外开心。

博士毕业17年后,神舟八号交会对接前夕,吴宏鑫第二次用激将法逼自己的弟子再闯难关。当时,离神舟八号第一次交会对接只有两天时间了。有领导提出,仿真试验再不通过就换人。

航天科技集团科技委顾问 吴宏鑫院士:我说不能换人,临阵换将是最大的忌讳,马上就要上去对接了你这时候换人,开玩笑,换了人能比她强嘛。所以我说,我相信解永春是能够做出来的,放心。我说做不出来我负责。

航天科技集团五院502所交会对接首席专家 解永春:恰恰是在他狠狠批评我之后的那天晚上,我就想出了很好的办法。

2011年10月31日,就在神舟八号飞船发射的前一天,解永春的参数设计方案通过了专家组评审。

如今不仅是神舟载人飞船,天舟货运飞船、嫦娥五号甚至刚发射的问天实验舱的交会对接,控制参数设计都源于神舟八号时打下的良好基础。一个严厉的导师,一个倔强的学生,交会对接控制参数设计这块硬骨头,就这样被啃下来了。使我磨难者,必使我强大,如今,解永春很感激导师当年对她的严厉。

航天科技集团五院502所交会对接首席专家 解永春:我感觉确实是这样,好像有一点像能级跃迁,要是不压的话,你台阶是上不来的。

如今,交会对接控制团队把创新的发力点,又瞄向了未来航天器的智能自主对接。

航天科技集团五院502所交会对接首席专家 解永春:未来我们通过这种人工智能的方式可以实现不需要航天员出舱就能完成的空间操作。

航天科技集团五院空间站系统载人飞船副总设计师 胡军:我们要打造一个全自主的飞船,现在我们基本上能够70%左右(自主),再努一把力,整个从发射到回来,全部自主,不需要地面(来支持)。

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