火箭“中樞神經(jīng)”的轉(zhuǎn)型
——改進(jìn)型長二Ｆ火箭副總設(shè)計(jì)師宋征宇談火箭控制系統(tǒng)新變化
新華社北京１０月３日電(新華社記者王敏)與三年前護(hù)送神舟七號(hào)載人飛船上天的長二Ｆ火箭相比，發(fā)射“天宮一號(hào)”的改進(jìn)型長二Ｆ火箭由于不需要載人，取消了控制系統(tǒng)中關(guān)機(jī)裝置和逃逸塔分離系統(tǒng)。
乍一看似乎難度降低了，然而，要圓滿完成空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，必須要確保目標(biāo)飛行器和飛船的入軌精度非常高。這對(duì)火箭的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。
如何才能完美托舉天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船精確入軌，改進(jìn)型長二Ｆ火箭的控制系統(tǒng)發(fā)生了什么變化？記者為此采訪了中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院火箭系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師宋征宇。
給火箭置換了一個(gè)全新“大腦”
“任何一發(fā)火箭在點(diǎn)火升空之后之所以能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并且最終能夠精確地將目標(biāo)送入預(yù)定軌道，主要是靠火箭的控制系統(tǒng)來完成整個(gè)過程。因此，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)比喻為火箭的‘心臟’，那控制系統(tǒng)則起著類似人體‘神經(jīng)中樞’的作用。”宋征宇道出了火箭控制系統(tǒng)的重要性。
據(jù)宋征宇介紹，此發(fā)改進(jìn)型長二Ｆ火箭的控制系統(tǒng)是個(gè)全新的系統(tǒng)，從使用的方案、原理、具體設(shè)備、軟硬件等方面都與發(fā)射“神七”的“長二Ｆ”發(fā)生了很大變化。
“相當(dāng)于給火箭置換了一個(gè)全新的‘神經(jīng)系統(tǒng)’。”宋征宇比喻道。
在控制系統(tǒng)所發(fā)生的這些變化中，制導(dǎo)方式首次由原來的攝動(dòng)制導(dǎo)改為迭代制導(dǎo)無疑是其中的亮點(diǎn)。
據(jù)宋征宇介紹，攝動(dòng)制導(dǎo)（Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）主要指火箭按照標(biāo)準(zhǔn)彈道飛行。而迭代制導(dǎo)（Ｉｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）則是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論發(fā)展而出現(xiàn)的一種自適應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)，是根據(jù)火箭當(dāng)前的速度、位置以及預(yù)估的入軌點(diǎn)，不斷調(diào)整自己的飛行軌跡。
“打個(gè)比方說，家住五環(huán)路，工作單位在三環(huán)路。攝動(dòng)制導(dǎo)給你規(guī)定好了具體路徑，而迭代制導(dǎo)只是告訴你目的地，并不限制具體路徑。”火箭總設(shè)計(jì)師荊木春曾這樣比喻。
入軌精度提高一個(gè)量級(jí)
從２０世紀(jì)６０年代末開始，迭代制導(dǎo)在運(yùn)載火箭上得到了應(yīng)用，美國的土星－Ｖ火箭、航天飛機(jī)，歐空局的阿里安火箭，俄羅斯的能源號(hào)火箭都采用了迭代制導(dǎo)技術(shù)。它的主要特點(diǎn)是制導(dǎo)精度高、任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)、箭上制導(dǎo)裝置簡單、對(duì)地面準(zhǔn)備要求相對(duì)較低。
我國載人航天工程的交會(huì)對(duì)接任務(wù)對(duì)運(yùn)載火箭入軌精度、對(duì)軌道調(diào)整的適應(yīng)性、可靠性等多個(gè)方面提出了很高的要求，采用迭代制導(dǎo)是一種較為合適的選擇。國內(nèi)對(duì)迭代制導(dǎo)方法研究已經(jīng)開展多年，但將理論轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐是工程設(shè)計(jì)人員必須解決的重點(diǎn)課題。
宋征宇表示，由于載人航天工程二期要進(jìn)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，對(duì)天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器來說，入軌精度并沒有很高，但對(duì)神舟八號(hào)飛船來講，由于要對(duì)接就要求其精確入軌，以便能順利和“天宮一號(hào)”在太空勝利會(huì)師。這樣，即便再提高慣性器件的精度，原有的制導(dǎo)方法也難以滿足入軌精度要求，只能采用更為先進(jìn)的迭代制導(dǎo)技術(shù)了。
“采用迭代制導(dǎo)以后，火箭不僅入軌精度提高了一個(gè)量級(jí)，而且在飛行過程中對(duì)外界干擾的適應(yīng)能力增強(qiáng)了。高的入軌精度可以調(diào)整飛船自身調(diào)整軌道的工作，從而節(jié)省了燃料、提升了運(yùn)載能力，可以搭載更多的有效載荷來進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，延長使用壽命?！彼握饔畋硎尽?/p>
從理論轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用
確定了制導(dǎo)方案，還要有相應(yīng)配套的制導(dǎo)工具。改進(jìn)型長二Ｆ火箭用兩個(gè)慣性測量組合來代替氣浮陀螺平臺(tái)。這樣一來，火箭不僅增加了幾十公斤的運(yùn)載能力，更為重要的是慣組適應(yīng)火箭在俯仰偏航方向上的機(jī)動(dòng)。而此前在采用平臺(tái)的情況下，只能在俯仰方向上進(jìn)行程序飛行，在偏航方向受到了很大限制。
然而，迭代制導(dǎo)縱有千般好，但將迭代制導(dǎo)真正運(yùn)用到控制系統(tǒng)中卻并非易事。
“雖然迭代制導(dǎo)理論是成熟的，但從理論轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的過程卻十分復(fù)雜。我們要確保選取的參數(shù)涵蓋火箭在飛行過程中可能出現(xiàn)的各種情況，保證算法收斂；當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，還要確?；鸺陌踩浴！彼握饔钪v述了采取迭代制導(dǎo)技術(shù)的難點(diǎn)。
據(jù)介紹，為了能夠驗(yàn)證算法，火箭研制團(tuán)隊(duì)采取了大量的質(zhì)量保證措施，包括六自由度多系統(tǒng)聯(lián)合仿真和上萬條彈道的模擬打靶等試驗(yàn)，并請(qǐng)很多同行專家進(jìn)行獨(dú)立復(fù)合復(fù)算，對(duì)方程、模型、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入檢驗(yàn)，確?？刂扑惴ǖ恼_性。
