中国的他们让“嫦娥”看得清、对得稳、落得准

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石墨

 视觉中国供图

 于起峰

 罗亚中

 张青斌

 12月17日凌晨1时59分,内蒙古四子王旗着陆场,嫦娥五号返回器携带月球样品安全着陆,探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。

 喜讯传到千里之外的国防科技大学空天科学学院,参与该项目的科研人员无比激动。科技日报记者了解到,在本次探月任务中,该院多名科研人员参与了多个重要项目的设计与研制工作,为嫦娥五号顺利完成探月任务贡献了多项关键技术。

 于起峰:给“挖土”的“嫦娥”装“慧眼”

 时间回到2015年。湘江之畔,嫦娥五号技术负责人找到中国科学院院士、国防科技大学空天科学学院教授、博士生导师于起峰,交给他一项技术难度极大的任务。

 这位负责人来自中国航天科技集团五院(以下简称航天五院),此人也许不会想到,5年后,于起峰给嫦娥五号装上了一双“慧眼”,辅助采样器高效完成了放样、抓罐、放罐等关键操作。

 那天会面一结束,于起峰立即召集团队成员开了一个碰头会。

 “这是之前从未经历过的测量环境”“采样器上配置的相机已固定,无法完全满足精密视觉测量需求”……于起峰静静地听着学生们讨论。那日,他们讨论了近三个小时,仍意犹未尽。

 在办公区的墙上,印着这样一句话:有必要测量一切可测的,并努力使尚不可测的成为可测。这是测量学先驱伽利略的名言,也是于起峰多年来的追求,更是团队奋斗的目标。

 月球上光照复杂,还有许多未知因素,传统的摄像测量方法在月面难以适用。更重要的是,其他国家已进行的月球采样返回任务中,尚无使用摄像测量技术的先例,他们只能从头开始。

 既然硬件条件不可更改,那就对算法进行提升。迭代算法需要实验验证,那一年团队成员往北京跑了50多次,进行系统调试、优化,在月面模拟环境实验中不断摸索实践。学生们带着问题从北京一回来,于起峰就召集大家共同商讨解决方案。

 经过两年的打磨,这套算法已趋于成熟。然而,于起峰总觉得还可以“再好一点”,他要精益求精。

 2017年的一天,于起峰把团队成员叫到一起。大家以为这只是一次普通的业务讨论,可没想到,于起峰在会上提出了一个让人意想不到的要求:已有算法并不稳定,推翻以往的方案,全部重来。更大的考验还在后面,那一年,航天五院再次联系他们,提出能否利用嫦娥五号的自身结构特征完成测量,这是一个“使不可测变为可测”的要求。

 接下任务后,年近六旬的于起峰与学生们一起熬夜加班,不停抠技术细节。最终,经过模拟验证,他们设计出的算法完美地完成了信息获取任务。

 12月2日22时许,经过约19个小时的月面工作,嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样。

 任务完成,于起峰却不满足。“今后,我们还要去探索更多未测量的领域,作出更大的贡献。”他说。

 罗亚中:实现环月无人交会对接零的突破

 “祝贺你们,圆满完成任务。”12月6日,国防科技大学空天科学学院教授罗亚中给嫦娥五号负责月球轨道设计的主任设计师发了一条信息。

 放下手机,罗亚中揉了揉熬红的双眼,悬了许久的心,终于彻底放了下来。此前,他一直关注前方信息,得知环月无人交会对接任务顺利完成,长舒了一口气。

 “我虽然心里清楚,我们的技术已经很成熟了,但还是紧张。”罗亚中笑着对科技日报记者说。

 敢说出“技术成熟”,这份底气源于罗亚中多年来在交会对接领域的深耕细作。多年耕耘,让罗亚中团队成为该领域的“王牌军”。

 “这件事还是需要你们的参与!”2013年,航天五院联系到了罗亚中,将嫦娥五号环月交会对接轨道规划任务交给了他。

 彼时,在我国尚无成功实现环月无人交会对接的先例。

 “第一次在环月轨道完成这项任务,测控条件相比近地差,我们对月球轨道特性认识尚不成熟。”罗亚中意识到,这是一块难啃的“硬骨头”。然而,敢于啃“硬骨头”,正是他带领的“王牌军”多年的作风。

 自从接下任务,罗亚中几乎没有过休息日,他带着团队成员从研究环月轨道交会模型入手,不断优化算法,提高算法的效率和可靠性。有时,为了提升算法性能,团队要开展大量测试。屏幕上一行行数据密密麻麻、不断滚动翻新,团队成员一天要盯十几个小时的电脑,几乎所有人的眼睛都酸涩胀痛。

 工作疲惫时,罗亚中喜欢来到实验室,在这里,按一定比例缩小、模拟空间实验室和载人飞船交会对接的仿真模型占了大半个房间。“天宫二号和神舟十一号的交会对接轨道规划系统,就出自这里。”罗亚中介绍道。

 在罗亚中心中,交会对接技术就像航天科技领域的一座“大山”。他2003年进“山”,称自己是“明知山有虎,偏向虎山行”。为解决“交会轨道规划”这个公认的技术难题,他曾找遍国内外相关论文和技术报告,每天工作时间都在十几个小时以上。2019年,他因对神舟八号以来历次交会对接任务作出了重要贡献,被授予“中国载人航天工程突出贡献者”荣誉称号。

 张青斌:为精确回收提供引导信息

 12月16日22时00分,酒泉卫星发射中心指挥显示大厅。换衣服、挂上工牌、打开电脑……几个动作一气呵成。国防科技大学空天科学学院研究员张青斌坐在椅子上,眼睛紧盯着指挥显示大厅的大屏幕。此时,距离他进场不过五分钟,距离嫦娥五号着陆还有不到4小时。在此次任务中,张青斌及其团队为让搜救力量更快找到返回器,提供精确引导的工作。

 “我太激动了,这一天我们盼了快十年,我们的降落伞回收系统动力学理论在这么重要的任务中得到了成功应用!”嫦娥五号返回器成功着陆后,张青斌对科技日报记者兴奋地说。

 发射和回收是航天任务中最惊险、最容易出故障的阶段。降落伞回收系统又是动力学中最复杂的系统,地面上空十公里以内的风向变化非常复杂,不确定因素极多。要想设计出一套安全、稳定的返回器回收系统,不仅需要设想各种可能出现的问题,还要不断做空投验证,过程反反复复、极其磨人。从接下任务的那天起,张青斌就踏上了漫长的求索征程。

 为避免计算出错,张青斌和团队成员用不同方法、不同程序,验证同一问题,然后交叉比对验证结果。

 这一工作虽然耗费了大量的时间,但张青斌觉得时间花得值,没有这些工作打底,就不可能取得最终的成果。

 有了好的基础,技术上的创新突破势如破竹。

 在这个过程中,他们建立了“神舟”系列载人飞船降落伞回收系统的高保真动力学模型,为我国载人飞船回收系统的方案论证、设计分析提供了重要参考数据;研制出国内首套飞船降落伞回收的半实物仿真系统,被应用于神舟七号到神舟十一号的航天任务之中。

 嫦娥五号返回器的体积只有神舟飞船返回舱的1/7,可着陆面积将近2万平方公里,是载人飞船着陆面积的16倍,再加上落区被平均厚度约130毫米的积雪覆盖,这些都给执行此次回收任务的搜救力量,增加了不小的工作难度。

 “要想给搜救力量提供精确的位置导引,就要在返回器下降过程中,快速更新飞行管道的数据,这需要高效的算法作为支撑,我们做到了1.2秒更新一次!”张青斌告诉科技日报记者。

 不过,鲜有人知的是,在刚刚起步时,张青斌团队能达到的更新速度是:10分钟/次。

 今年7月以来,张青斌带着团队反复进行模型校核分析,分析着陆场历年风场特征,以及降落伞回收系统的多项不确定性因素,建立了嫦娥五号降落伞回收系统不确定性条件下的快速分析模型。

 12月17日凌晨,嫦娥五号顺利返回。任务结束后,张青斌拉着团队成员在指挥显示大厅合了张影。“这个意义非凡的时刻,应该载入我们的‘奋斗相册’!”张青斌说。