“神舟”“天舟”“天宫”的“最强大脑”由他们打造

作者:中国航天报记者  高一鸣来源:中国航天科技集团有限公司

  这是一支“梦之队”。

  他们是我国航天器制导、导航与控制(GNC)领域的一支劲旅,以“制得准,导得精,控得稳”为目标,以“逐梦天宇,控写船奇”为理想。

  他们赋予我国载人航天器“最强大脑”,使这些航天器得以承载航天员精准往返天地间,圆了中华民族千百年来的“飞天梦”,进而实现“步天梦”“驻天梦”。

  他们着眼长远,提前布局后续航天器GNC通用技术,助力我国新一代载人飞船试验船取得首飞即圆满,特别是以“10.8环”精准着陆的佳绩,为未来发展奠定坚实基础。

  他们在航天系统中率先提出“雁阵”团队理念,充分调动每一名成员的战斗力,形成强大的合力,如今已在中国航天科技集团有限公司范围内全面推广,让更多班组乘势起飞。

  这支队伍,就是中国航天科技集团有限公司五院502所飞船GNC工程组——“梦之舟”班组。


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  从飞天圆梦到“天神之吻”

  1992年,中国载人航天工程上马。

  在航天飞行任务中,上不上人,大不一样。载人航天任务的特殊性,要求航天器从入轨到返回的每一步都必须更加精准,而飞船的“大脑”——GNC系统则是达到这一要求的重中之重。航天科技集团五院502所于1994年4月创建飞船GNC工程组,我国航天器GNC领域的精兵强将集结在这一“梦之舟”班组,正式起航。

  班组中,有经历返回式卫星等研制任务的前辈,也有刚毕业的青年才俊。在参考资料和研制条件极为有限的情况下,班组成员夜以继日地设计、计算、测试,最忙的时候直接吃住在单位,与紧张的任务周期赛跑。条件简陋,但他们对技术水平和质量控制的要求却非常高,直接对标国外同类飞船GNC系统,还尝试应用了一些外国飞船也没用过的技术,从而进一步提高航天员返回、搜救的安全性。

  1999年11月20日,神舟一号飞船乘长征二号F运载火箭如期奔向太空,翌日准确着陆在预定区域,中国载人航天工程首飞任务圆满成功。作为载人飞船系统乃至整个载人航天工程中最复杂、最关键、研制难度最高的分系统之一,飞船GNC系统通过了飞行实践的检验,班组获得国家级集体一等功。紧接着,班组又马不停蹄地执行神舟二号至神舟四号飞船飞行任务,以最少的试验次数,全面考核了GNC系统,与其他分系统一起迎接期盼已久的历史时刻。

  2003年10月15日,神舟五号飞船载着航天员杨利伟遨游太空,于10月16日精准着陆于预定区域。从此,我国成为世界上第三个独立开展载人航天活动的国家,中华民族千百年来的飞天梦实现了。随后,神舟六号飞船任务实现了多人多天飞行,神舟七号飞船任务开展了我国首次航天员空间出舱活动。

  在载人航天工程一期飞行任务连战连捷的同时,班组也在为二期飞行任务忙碌着。载人飞船、货运飞船与空间目标飞行器/空间实验室交会对接,是二期飞行任务必须突破的核心技术,也是后续开展空间站建设与运营的关键技术。

  在空间交会对接任务中,两个数吨重、外形复杂的航天器要在数百公里高的太空如“穿针引线”般结合,GNC系统的精度要求之高可想而知。“我们采用了高精度的定姿手段,以及具有大控制力矩能力的姿态控制执行机构,从而解决了高精度和高稳定的姿态控制与快速的姿态机动协调统一的难题,使得大质量大惯量的天宫一号/天宫二号‘动得快、稳得住’。”班组成员蒋金哲说,在天宫一号空间目标飞行器中,GNC分系统新研产品比重占到总数的近80%。

  同时,班组在地面测试上大胆革新,在极短的时间内成功研制并应用新型地面测试设备、采用了一系列新型测试方案,还创造性地用飞机模拟两个航天器在空间的相对运动,从而验证测量敏感器的测量性能。“我们还在一期人控模拟座舱的基础上设计了人控交会对接验证系统,相当于在地面给航天员开了一间‘太空驾校’,帮助他们提前把手控交会对接技术练好、练精。”

  2011年至2012年,天宫一号目标飞行器、神舟八号飞船、神舟九号飞船发射入轨,先后精准开展了我国首次无人自动、载人自动与手控交会对接;2013年发射的神舟十号飞船在此基础上还增加了“绕飞”动作;2016年至2017年发射的天宫二号空间实验室、神舟十一号飞船与天舟一号货运飞船验证了航天员中期驻留与推进剂在轨补加等关键技术,至此,我国空间站建设中需提前在轨验证的技术均通过考核,中国载人航天工程跨入空间站建设阶段。


  “10.8环”背后的战略远见

  2020年5月5日,我国新一代载人飞船试验船与长征五号B运载火箭搭档首飞。新飞船试验船入轨后精准地执行一系列变轨动作,轨道远地点达到8000公里级,这是人类飞船自阿波罗任务后首次回到这么远的地方。5月8日中午,新飞船试验船在预定区域成功着陆,落点精度再创新高,比以往神舟飞船提高了一个数量级。

  中国载人航天工程飞船系统总设计师张柏楠说,返回舱的落点精度堪称命中了“10.8环”。

  实现到这么高的精度,GNC系统最为关键。飞船使用的降落伞属“无控伞”,会随风飘移。因此,返回舱在降落伞打开时所处的空间位置,即“开伞点”决定着落点精度。新飞船试验船装备了一项异于国内外其他方法的独创技术——全数字全系数自适应预测校正制导。班组成员冯烨介绍,该方法具有智能化特点,相比传统技术更加灵活,能应对更加复杂的情况,同时控制更平稳、精度也更高。利用该方法,不仅能实时预报返回舱飞到终点时的误差,还能根据误差调整飞行轨迹,直到飞抵目标点。而“开伞点”就是自适应预测校正制导技术所管辖“路段”的终点。

  除了载人飞船,探月工程三期再入返回飞行试验器的GNC系统也由“梦之舟”班组打造。2014年,我国探月工程三期再入返回飞行试验器开展月地返回跳跃式再入试验,创造了迄今为止国际上飞船外形航天器再入返回的最高开伞点精度。也是在这次试验中,班组创造的自适应预测校正制导技术首战告捷。而今年新飞船试验船进一步验证了该技术的理论先进性、工程实用性以及不同任务要求下的适应性。

  全数字全系数自适应预测校正制导技术在世界上首次打通了预测制导和控制之间的隔阂,大大简化和降低了预测制导的应用门槛,无论在控制理论的发展方面,还是在提升工程应用水平方面都具有典型意义,是对世界航天控制领域的一大贡献。该技术不仅适用于月地返回跳跃式再入、地球轨道直接再入,还可应用于火星进入与火星大气捕获、大升力体初始再入、末端能量管理、水平进场着陆等。

  国际一流的技术,越战越精的成绩,背后是班组成员特别是班组带头人20多年来坚持提前布局、预先研究的战略远见,是全体班组成员一代接着一代干的不懈奋斗。班组坚持把握研制任务的最新技术状态和发展方向,跟踪全球航天器控制技术的前沿发展,鼓励组员参与“预先研究和研制条件保障技术论证小组”,承担预先研究、共性技术和研保项目,以博士学历人才为班底、经验丰富的员工为骨干,成员专业配置上尽可能做到涵盖多个技术领域和专业。

  目前,“预先研究和研制条件保障技术论证小组”已制定一系列关键技术研究方向,取得了丰硕预研技术和项目支撑成果,还承担了“863”项目,申请了国家自然科学基金重点项目和青年基金项目。班组参与的预研项目在多方向取得了突破,并获得上级的关注和首肯,相关成果已用于载人航天工程三期和探月工程三期的型号研制任务中,为我国航天GNC领域的未来发展奠定了坚实基础。


  “雁阵”领航,接续创造飞天“船”奇

  自然界中,“人”形雁阵是大雁飞得最快最省力的构型,雁阵飞行速度是单只大雁的1.71倍,团队合作的力量远超于单只雁飞行的极限。“梦之舟”班组在多年的协力攻关、传承发展中,形成了独具特色的“雁阵”团队文化,围绕目标管理、技术创新、质量管理、人才建设4个维度,采用“领飞、竞飞、跟飞、齐飞”的“四飞”班组立体管理模式,营造了“齐飞共进,协作同行”的团队氛围。

  班组充分发挥“雁阵”团队的管理、引领作用,围绕班组任务目标,开展“树理念、树榜样、建机制”的“两树一建”目标建设工作,确保班组管理朝着正确的方向发展。

  班组成员蔺玥介绍:“我们长期坚持执行年、月、周三级计划和考核制度,将任务、目标量化,并对照计划完成情况进行检查,形成记录。近年来,班组任务完成率和年计划完成率均达100%。”

  在具体管理层面,班组通过“搭建平台,展示自我;引入机制,良性竞争”,保持“雁阵”完美队形。班组根据质量管理、技术创新、预研保障、成本管理四方面的不同特点,搭建“竞飞”平台,形成你追我赶的浓厚班组氛围,使四方面都得到了突破性的发展。

  在人才培养上,班组构建了以“正、副组长为领头雁,技术平台负责人为中坚雁,组员为飞行雁”的人字形“雁阵”结构,非常注重对后备力量的培养,以“传帮带”为基本,多层次对“飞行雁”进行一系列的训练。针对新员工经验不足的情况,班组采用“三有法”,即有计划、有良师、有路线,使他们尽快融入集体,确保“跟飞”不掉队。

  在团队建设上,班组以载人航天精神为基石,以“航天梦”为指引,以“同成长、共进步”为原则,在人才发展、技术创新、文化建设等方面取得了突出的成绩,通过多项丰富多彩的团队建设活动使团队凝聚力不断增强。

  20多年来,在国家重大工程和前沿探索任务的历练中,在班组特色管理体系的培养下,班组走出了包括1位全国政协委员、5位所级领导、1位工程总师、2位型号总师/总指挥和12位型号副总师在内的一批高级人才,而班组首创的“雁阵”文化,也在集团公司范围内推广开来。

  追星逐梦,雁阵领航。“梦之舟”班组即将迎来载人航天工程三期决战决胜时刻,通过3年10余发的船/站飞行任务,完成空间站组装建设,并开展正常运营工作。在“雁阵”文化的引领下,他们将继续传承和发扬载人航天精神,续写新时代的飞天“船”奇。