中新網(wǎng)10月16日電題：返回控制關(guān)--給飛船配備“超人”的大腦
——中國(guó)神舟神箭研制的12大攻關(guān)奇跡之十二
作者：劉思燕
在人們?yōu)轱w船的安全返回合力闖關(guān)的過(guò)程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)這樣一幕：在神舟二號(hào)飛船返回的前一圈，由于軌道艙泄壓造成干擾，飛船姿態(tài)突然發(fā)生震蕩，此時(shí)距離飛船的返回只有一個(gè)半鐘頭了。所有人的目光都集中在GNC的研制人員身上。而他們卻臨危不亂，因?yàn)樗麄冎溃M管存在較大的干擾，飛船仍會(huì)嚴(yán)格地按照GNC姿態(tài)控制的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，隨著泄壓的完成，飛船姿態(tài)會(huì)逐漸恢復(fù)。
他們?yōu)橹笓]員及時(shí)提供了可信的數(shù)據(jù)，并用自信擔(dān)保此時(shí)可以發(fā)出“回收”的命令。果然，在返回調(diào)姿之前，飛船姿態(tài)開(kāi)始穩(wěn)定。在返回艙與軌道艙分離后，飛船返回艙的姿態(tài)完全恢復(fù)了穩(wěn)定，飛船成功回收。當(dāng)飛船成功返回的口令發(fā)出后，測(cè)控大廳里響起了經(jīng)久不息的掌聲。
GNC是制導(dǎo)導(dǎo)航和控制的英文簡(jiǎn)稱(chēng)。在飛船系統(tǒng)中，GNC負(fù)責(zé)飛船飛行全過(guò)程的姿態(tài)和軌道控制以及在軌太陽(yáng)帆板對(duì)日控制，也就是說(shuō)，飛船如何運(yùn)動(dòng)，怎么運(yùn)動(dòng)都是由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(zhuān)家，曾說(shuō)過(guò)這樣一句話(huà)：如果沒(méi)有GNC，飛船只能停留在科學(xué)幻想的階段。
在飛船發(fā)射和運(yùn)行的過(guò)程中，飛船姿態(tài)、軌道、控制部件、飛船環(huán)境等等不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，返回控制就是把飛行過(guò)程中產(chǎn)生的所有的誤差都吃掉，保證飛船回來(lái)。聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像“超人”的工作。的確，飛船確實(shí)得具備“超人”的大腦來(lái)應(yīng)付可能發(fā)生的任何問(wèn)題。從神舟一號(hào)飛船開(kāi)始，中國(guó)航天提出的就是飛船不僅能回來(lái)，還要落點(diǎn)準(zhǔn)確的要求。
計(jì)算機(jī)是飛船上GNC的核心。為保證飛船安全可靠，GNC系統(tǒng)關(guān)鍵部件如陀螺、紅外地球敏感器等都采用了冗余設(shè)計(jì)，也就是備份。神舟飛船上的GNC計(jì)算機(jī)采用的是主控機(jī)三機(jī)容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而每臺(tái)計(jì)算機(jī)又分前后臺(tái)流水線作業(yè)。此外，還有一個(gè)備份計(jì)算機(jī)和一臺(tái)手動(dòng)計(jì)算機(jī)。GNC關(guān)鍵部件冗余配置，帶來(lái)了飛船GNC系統(tǒng)工作量的顯著增加。飛船GNC系統(tǒng)的任務(wù)包括發(fā)射及導(dǎo)航與控制技術(shù)、在軌段自動(dòng)控制與手動(dòng)控制、返回再入控制以及留軌艙控制，相當(dāng)于三顆衛(wèi)星加二顆導(dǎo)彈的工作量。工作量的龐雜和技術(shù)的復(fù)雜性，需要的是豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和大膽的創(chuàng)新精神。
GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在姿態(tài)確定與控制返回再入技術(shù)上采用了多項(xiàng)新技術(shù)，如在軌姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、返回再入實(shí)時(shí)估計(jì)升阻比的自適應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)等，保證了飛船具備多種條件下安全準(zhǔn)確返回的能力。
1999年7月，神舟一號(hào)飛船發(fā)射前夕。北京回龍觀賓館。解放軍總裝備部領(lǐng)導(dǎo)召見(jiàn)飛船GNC系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師陳祖貴，見(jiàn)面的第一句話(huà)就是，飛船能否安全返回。第二天，航天科技集團(tuán)載人航天辦公室張宏顯又把陳老找去，問(wèn)的還是那句話(huà)。由此可見(jiàn)，GNC在飛船中的特殊地位。
也是在這次發(fā)射之前，時(shí)任飛船副總指揮的袁家軍在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)對(duì)從事GNC研制的502所的科技人員表示，飛船成功后，你們是最有功勞的人。GNC研制人員沒(méi)有辜負(fù)期望。
在神舟四號(hào)飛船的返回時(shí)，在北京測(cè)控大廳，GNC系統(tǒng)進(jìn)行的就是一次完美的表演。
隨著“一次調(diào)姿，二次調(diào)姿、制動(dòng)開(kāi)始”口令的發(fā)出，飛船漂亮地完成了一次調(diào)試、二次調(diào)試，準(zhǔn)確地進(jìn)入了返回軌道。在熱烈的掌聲中，我國(guó)航天控制領(lǐng)域的專(zhuān)家梁思禮拍著陳祖貴的肩膀說(shuō)道：了不起！豈止是梁老，測(cè)控大廳在座的諸多專(zhuān)家們，無(wú)不為飛船最終的落點(diǎn)精度表示欽佩。要知道，在從事飛船研制幾十年的俄羅斯，目前飛船的落點(diǎn)范圍也是在正負(fù)30多公里左右，而神舟飛船的落點(diǎn)范圍卻穩(wěn)定在了正負(fù)10公里左右。
說(shuō)起飛船返回控制的技術(shù)創(chuàng)新，記者想起設(shè)計(jì)人員講的一個(gè)小故事。
稍懂航天技術(shù)的人，都知道航天器的發(fā)射需要窗口時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是根據(jù)發(fā)射時(shí)的季節(jié)、地點(diǎn)等條件推算出來(lái)的。在神舟一號(hào)飛船發(fā)射時(shí)，窗口時(shí)間是上午，而飛船的返回時(shí)間是伸手不見(jiàn)五指的晚上。考慮到飛船的降落是在2000多平方公里的草原上，如果他的返回時(shí)間是在傍晚，那么，從美麗的晚霞中徐徐降落的飛船該是一望無(wú)際的草原上一道多么曼美的風(fēng)景啊。對(duì)攝影者來(lái)說(shuō)是不可多得的難得的機(jī)會(huì)，更重要的是對(duì)中國(guó)的載人飛船的研制史來(lái)說(shuō)，會(huì)留下飛船返回的寶貴的直觀圖象，這是多么有意義的一件事�；谶@種想法，設(shè)計(jì)人員為飛船設(shè)計(jì)了在任何窗口時(shí)間都可以發(fā)射的偏航機(jī)動(dòng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在神舟三號(hào)飛船軌道艙上得到成功采用，神舟四號(hào)飛船在軌偏航機(jī)動(dòng)試驗(yàn)也獲得成功。此技術(shù)又望推廣到新型衛(wèi)星的研制上。
說(shuō)起飛船設(shè)計(jì)對(duì)航天技術(shù)的貢獻(xiàn)，還有為了提高飛船的精度，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)的雙矢量實(shí)時(shí)姿態(tài)確定技術(shù)，現(xiàn)在也被中低軌道衛(wèi)星普遍采用。
此外，慣性器件在軌標(biāo)定技術(shù)，可以把飛船姿態(tài)測(cè)量部件陀螺的未知漂移從4度減少到0.01~0.1度，可以顯著提高飛船的導(dǎo)航精度；一個(gè)故障還能正常工作，兩個(gè)故障保證航天員安全回來(lái)的故障診斷和重構(gòu)技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)變軌和制動(dòng)技術(shù)；返回艙主備份交替技術(shù)等都是飛船GNC系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新。
除了返回控制技術(shù)外，GNC系統(tǒng)的另一項(xiàng)值得大書(shū)一筆的技術(shù)是，目前在國(guó)際上還沒(méi)有，完全通過(guò)中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的救生控制技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)預(yù)報(bào)、控制飛船的落點(diǎn)。
由于航天技術(shù)在國(guó)家的特殊地位，神舟飛船的每一次成功，都受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。神舟三號(hào)飛船發(fā)射成功后，江澤民等黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人曾親臨酒泉衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)看望飛船發(fā)射的有功之臣們，并和他們座談。陳祖貴發(fā)現(xiàn)在為數(shù)不多的被邀請(qǐng)者中，自己作為基層受邀的兩個(gè)代表之一竟座在江主席的身邊，頓時(shí)激動(dòng)得老淚縱橫。這個(gè)故事再一次說(shuō)明GNC技術(shù)在飛船研制中的重要地位。
