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)的過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣一幕：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，此時距離飛船的返回只有一個半鐘頭了。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，飛船仍會嚴(yán)格地按照GNC姿態(tài)控制的規(guī)律運(yùn)動，隨著泄壓的完成，飛船姿態(tài)會逐漸恢復(fù)。
他們?yōu)橹笓]員及時提供了可信的數(shù)據(jù)，并用自信擔(dān)保此時可以發(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)航和控制的英文簡稱。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對日控制，也就是說，飛船如何運(yùn)動，怎么運(yùn)動都是由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研制的專家，曾說過這樣一句話：如果沒有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)境等等不可避免會產(chǎn)生誤差，返回控制就是把飛行過程中產(chǎn)生的所有的誤差都吃掉，保證飛船回來。聽起來有點(diǎn)像“超人”的工作。的確，飛船確實(shí)得具備“超人”的大腦來應(yīng)付可能發(fā)生的任何問題。從神舟一號飛船開始，中國航天提出的就是飛船不僅能回來，還要落點(diǎn)準(zhǔn)確的要求。
計算機(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，也就是備份。神舟飛船上的GNC計算機(jī)采用的是主控機(jī)三機(jī)容錯結(jié)構(gòu)，而每臺計算機(jī)又分前后臺流水線作業(yè)。此外，還有一個備份計算機(jī)和一臺手動計算機(jī)。GNC關(guān)鍵部件冗余配置，帶來了飛船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)、在軌段自動控制與手動控制、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)對準(zhǔn)技術(shù)、返回再入實(shí)時估計升阻比的自適應(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)召見飛船GNC系統(tǒng)主任設(shè)計師陳祖貴，見面的第一句話就是，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，問的還是那句話。由此可見，GNC在飛船中的特殊地位。
也是在這次發(fā)射之前，時任飛船副總指揮的袁家軍在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場對從事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研制人員沒有辜負(fù)期望。
在神舟四號飛船的返回時，在北京測控大廳，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、制動開始”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，我國航天控制領(lǐng)域的專家梁思禮拍著陳祖貴的肩膀說道：了不起！豈止是梁老，測控大廳在座的諸多專家們，無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。
說起飛船返回控制的技術(shù)創(chuàng)新，記者想起設(shè)計人員講的一個小故事。
稍懂航天技術(shù)的人，都知道航天器的發(fā)射需要窗口時間，這個時間是根據(jù)發(fā)射時的季節(jié)、地點(diǎn)等條件推算出來的。在神舟一號飛船發(fā)射時，窗口時間是上午，而飛船的返回時間是伸手不見五指的晚上�？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際的草原上一道多么曼美的風(fēng)景啊。對攝影者來說是不可多得的難得的機(jī)會，更重要的是對中國的載人飛船的研制史來說，會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。基于這種想法，設(shè)計人員為飛船設(shè)計了在任何窗口時間都可以發(fā)射的偏航機(jī)動技術(shù)。這項(xiàng)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(jī)動試驗(yàn)也獲得成功。此技術(shù)又望推廣到新型衛(wèi)星的研制上。
說起飛船設(shè)計對航天技術(shù)的貢獻(xiàn)，還有為了提高飛船的精度，設(shè)計人員開發(fā)的雙矢量實(shí)時姿態(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；一個故障還能正常工作，兩個故障保證航天員安全回來的故障診斷和重構(gòu)技術(shù)；發(fā)動機(jī)變軌和制動技術(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)值得大書一筆的技術(shù)是，目前在國際上還沒有，完全通過中國自主開發(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、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(dǎo)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(dǎo)人曾親臨酒泉衛(wèi)星發(fā)射場看望飛船發(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)不多的被邀請者中，自己作為基層受邀的兩個代表之一竟座在江主席的身邊，頓時激動得老淚縱橫。這個故事再一次說明GNC技術(shù)在飛船研制中的重要地位。
