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)出現過(guò)這樣一幕：在神舟二號飛船返回的前一圈，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，因為他們知道，盡管存在較大的干擾，飛船仍會(huì )嚴格地按照GNC姿態(tài)控制的規律運動(dòng)，隨著(zhù)泄壓的完成，飛船姿態(tài)會(huì )逐漸恢復。
他們?yōu)橹笓]員及時(shí)提供了可信的數據，并用自信擔保此時(shí)可以發(fā)出“回收”的命令。果然，在返回調姿之前，飛船姿態(tài)開(kāi)始穩定。在返回艙與軌道艙分離后，飛船返回艙的姿態(tài)完全恢復了穩定，飛船成功回收。當飛船成功返回的口令發(fā)出后，測控大廳里響起了經(jīng)久不息的掌聲。
GNC是制導導航和控制的英文簡(jiǎn)稱(chēng)。在飛船系統中，GNC負責飛船飛行全過(guò)程的姿態(tài)和軌道控制以及在軌太陽(yáng)帆板對日控制，也就是說(shuō)，飛船如何運動(dòng)，怎么運動(dòng)都是由GNC決定的。正因為此，有人將GNC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)應付可能發(fā)生的任何問(wèn)題。從神舟一號飛船開(kāi)始，中國航天提出的就是飛船不僅能回來(lái)，還要落點(diǎn)準確的要求。
計算機是飛船上GNC的核心。為保證飛船安全可靠，GNC系統關(guān)鍵部件如陀螺、紅外地球敏感器等都采用了冗余設計，也就是備份。神舟飛船上的GNC計算機采用的是主控機三機容錯結構，而每臺計算機又分前后臺流水線(xiàn)作業(yè)。此外，還有一個(gè)備份計算機和一臺手動(dòng)計算機。GNC關(guān)鍵部件冗余配置，帶來(lái)了飛船GNC系統工作量的顯著(zhù)增加。飛船GNC系統的任務(wù)包括發(fā)射及導航與控制技術(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，相當于三顆衛星加二顆導彈的工作量。工作量的龐雜和技術(shù)的復雜性，需要的是豐富的工程經(jīng)驗和大膽的創(chuàng )新精神。
GNC系統設計人員在姿態(tài)確定與控制返回再入技術(shù)上采用了多項新技術(shù)，如在軌姿態(tài)對準技術(shù)、返回再入實(shí)時(shí)估計升阻比的自適應制導技術(shù)等，保證了飛船具備多種條件下安全準確返回的能力。
1999年7月，神舟一號飛船發(fā)射前夕。北京回龍觀(guān)賓館。解放軍總裝備部領(lǐng)導召見(jiàn)飛船GNC系統主任設計師陳祖貴，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星發(fā)射場(chǎng)對從事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)有辜負期望。
在神舟四號飛船的返回時(shí)，在北京測控大廳，GNC系統進(jìn)行的就是一次完美的表演。
隨著(zhù)“一次調姿，二次調姿、制動(dòng)開(kāi)始”口令的發(fā)出，飛船漂亮地完成了一次調試、二次調試，準確地進(jìn)入了返回軌道。在熱烈的掌聲中，我國航天控制領(lǐng)域的專(zhuān)家梁思禮拍著(zhù)陳祖貴的肩膀說(shuō)道：了不起！豈止是梁老，測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30多公里左右，而神舟飛船的落點(diǎn)范圍卻穩定在了正負10公里左右。
說(shuō)起飛船返回控制的技術(shù)創(chuàng )新，記者想起設計人員講的一個(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)間是根據發(fā)射時(shí)的季節、地點(diǎn)等條件推算出來(lái)的。在神舟一號飛船發(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�？紤]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。對攝影者來(lái)說(shuō)是不可多得的難得的機會(huì )，更重要的是對中國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(guān)圖象，這是多么有意義的一件事�；谶@種想法，設計人員為飛船設計了在任何窗口時(shí)間都可以發(fā)射的偏航機動(dòng)技術(shù)。這項技術(shù)在神舟三號飛船軌道艙上得到成功采用，神舟四號飛船在軌偏航機動(dòng)試驗也獲得成功。此技術(shù)又望推廣到新型衛星的研制上。
說(shuō)起飛船設計對航天技術(shù)的貢獻，還有為了提高飛船的精度，設計人員開(kāi)發(fā)的雙矢量實(shí)時(shí)姿態(tài)確定技術(shù)，現在也被中低軌道衛星普遍采用。
此外，慣性器件在軌標定技術(shù)，可以把飛船姿態(tài)測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(zhù)提高飛船的導航精度；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)的故障診斷和重構技術(shù)；發(fā)動(dòng)機變軌和制動(dòng)技術(shù)；返回艙主備份交替技術(shù)等都是飛船GNC系統的技術(shù)創(chuàng )新。
除了返回控制技術(shù)外，GNC系統的另一項值得大書(shū)一筆的技術(shù)是，目前在國際上還沒(méi)有，完全通過(guò)中國自主開(kāi)發(fā)的救生控制技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現落點(diǎn)預報、控制飛船的落點(diǎn)。
由于航天技術(shù)在國家的特殊地位，神舟飛船的每一次成功，都受到黨和國家領(lǐng)導人的高度重視。神舟三號飛船發(fā)射成功后，江澤民等黨和國家領(lǐng)導人曾親臨酒泉衛星發(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)現在為數不多的被邀請者中，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。
