星期二 , 4月 13 2021
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航天事业,可能是当代最具冒险主义色彩的故事

每一次火箭的发射都是令数亿人心潮澎湃的时刻,随着连绵不断的轰鸣声,巨大的火箭拔地而起,冉冉上升,在尾部辉煌的火焰中,直上云天。

北斗、深空、长五、快舟……随着这些航天器一起飞入太空的,是我们探索宇宙和人类未来的梦想。

但我们有没有想过,发射成功背后的故事到底是怎样的?

数十万航天工作者一起在攻克的航天事业到底有多困难?

这数十万中,如果每个人是一颗螺丝钉,他们在做怎样的工作?

一颗卫星的存在需要怎样的维护和监测?

为什么它的消逝会牵动每个航天人的心弦?

大家好,我叫曲耀斌,是一名卫星总体设计师,也是数十万中国航天工作者中的一员。

这里面其实有一个隐含的问题,我们这么多人一起做航天事业,在每一发箭、每一颗星里能做什么?每个人,特别是青年朋友们,都在做一颗螺丝钉吗?

这其实是一个关乎航天学科发展、系统工程和传承发展的大问题。

用已知去探索未知

航天学科虽然只有短短几十年,但在近现代的科技体系中有着独特地位。

宇宙太大了,航天器在空间环境中运行,很难用传统的方法来开展大量实验,去遍历所有的内外部条件,去充分试错。

并且作为世界上最昂贵的承载平台,航天器的子样太少,定制性又很强,无法运用传统工业化进行生产。

换句话说,我们必须用最少的已知去挑战、去探索最大的未知。所以我们现在所做、所经历的,可能是当代最具冒险主义色彩的故事。

曲耀斌在中国航天大会演讲现场

2010年,我刚工作不久,是一名卫星姿轨控系统设计师。上海航天当时接到一个项目论证任务,要打造一个全新的卫星平台,去36000公里的高度开展新技术通信试验。

这里有一个平台的概念,它可以看作是设计一颗卫星所需要架构的机、热、能源、信息的综合形态

那一个新的卫星平台意味着什么?

通信技术试验卫星五号

图源:中国航天网

在汽车行业里面研发一个新平台需要多轮定型、反复测试,费用相当于量产车的1000倍。

前两年737MAX接连发生故障而导致空难,就是因为波音在新平台研发时,耗时了数年测试都没有发现一个安全监管软件里面的差错。

再回到我论证的新卫星平台,它还要完成两个艰难的使命。

一是在7天时间内完成4次精确的变轨控制,发动机的工作时长和误差不能超过1秒

发动机剧烈工作期间,卫星还需要保持接近绝对稳定。任何一项超差都会消耗额外的推进剂,导致我们无法正常入轨,整个任务失败。

第二个难点是这颗卫星要配合新载荷开展多项任务试验,比如首次在地球静止轨道实施很多复杂的动作。这个轨道24小时才一个周期,往往毫无差错地运行完整个任务序列就过去了5到10天。

当时我大概花了几周的时间就把整套全新的控制算法写了出来。但在地面基于新开发的产品,还需要充分摸清各个部件的细节特性,开展实时的半物理验证,并且尽可能地调试、测试各种参数。

在那两三年,大概有1/3的时间,我和同事们都是通宵在实验室里度过的。

后来我们开发了一套能够完全模拟星上软件架构,并且能开展10倍速率仿真但不损失任何一个进程环节的超实时系统。我们遍历了尽可能多的故障情况,设计星上自主预案。

以未知探索已知。航天就是这样一门学习了几乎所有的失败,才能走向一次成功的学科。

这上千个假想的故障,可能99%以上永远都不会发生,但往往你放过了一个,就可能会荒废了一代人的努力。

所以航天人可以创新,但你的底气只能是完全基于科学的态度和海量的数据支撑。

2018年12月25日凌晨,通信技术试验卫星三号发射,耗时数月,完成了各种入轨,自主完成了所有试验动作。

长三丙火箭成功将通信技术试验卫星三号发射升空

图源:新华社

此时,我们这支国内最年轻的高轨新平台设计师队伍也已经在这颗卫星上面,日夜不断地深深耕耘了八年

每一颗螺丝钉都至关重要

50年前,在几近荒芜的中国基础工业体系上,为什么能够一下子绽放出来的,就是集所有专业之大成的两弹一星?

其中我认为有一个重要原因,是以钱学森先生为首开创的系统工程方法,这套方法沿用至今。

钱学森

图源:中国航天系统科学与工程研究院

它将一发运载火箭、一颗卫星、一枚导弹,逐步地分解为几十个系统、几千个部组件和上万个元器件,并逐级赋予了每个环节相应的设计需求和工程实现。

这样一个责任体系,我们把它称之为“两总系统”。

换言之,在每一个设计层级,不同的设计师都是基于几个基础的产品最优化地构建系统,进而向上传递,最终实现整个项目的优化。

反过来说,一次成功的航天任务,取决于这个庞大系统中的每一个环节、每一个产品、每一道工序和每一个人

今天一开始我说大家都去做螺丝钉,也不光是个玩笑,况且这颗螺丝钉委实不好当。

这几年,我和同事们在研究如何在太空中实现精确的“眼对眼”。也就是说,如何能够在卫星几公里每秒的高速运行下,还能穿过几百上千公里,指准地面上的一个终端,甚至跨越几万公里,对上另一颗卫星。

这可能是这个世界上最遥远、最难的“惊鸿一瞥”。

我们很多人拿华为手机的50倍调焦模式拍过月亮,当时是什么感受?手机一晃,月亮就出去了。

图源:华为

实际上我们正在做的高精度、高稳定度的指向控制技术,相当于把这个镜头的视场,再缩小10000倍

哪怕镜头的视场已经这么小,仔细一分解,还需要在里面包住12个大项,74个小项各种器件、算法、工艺的误差。

有时候一个齿轮做得不均匀一点,超差;一个参数敏感了一点点,超差;因为温度交变导致你的基板上翘了连肉眼都看不见的那一点点,又是超差。

很多环节走到最后,你会发现它已经突破了这个国家在微微小点上的技术天花板。这时候就需要有一个人留在这里,把它支撑住。

因为往往哪怕一个点上面超多了,它会把剩余几十个点的东西全部吃掉,也因为都是角秒级、亚角秒级的误差,往往是我们在这边压下了葫芦,那边又起了瓢。

当我们在所有点上都好不容易挖透了,就再跳出来,借鉴其他非航天领域的方法,再提升、再优化。

我们将地面经纬仪测量原理搬到天上,用来标定不同的基础,将整个精度提升了20%;又借鉴了家用计算机双核计算的原理,来模拟奥运射击冠军的动态视觉,精度又提升了30%。在今年2月20日发射的新技术试验C星、D星上,初步利用了刚刚说的那些技术,从而成功实现了国内首次星间高速激光通信。

长二丁火箭,采取一箭四星方式,成功将新技术试验卫星C星、D星、E星、F星发射升空

这只是开始,随着技术的逐步深化,会演化出很多让人意想不到的新应用。因为宇宙很大,足以让每一点点的贡献都放大出新的成果。

你做的星敏感器的噪声小半个分贝,带来的可能就是通讯距离再远一万公里;驱动机构的干扰、转速稳定再多1%,天文望远镜就能够多看到上万个星系。

这,就是航天系统工程。

一颗星的消逝与存在

在我们单位一楼,有一个很特别的地方,叫上海航天卫星监测中心,我们都叫它“长管”。

长管,意为长长久久地管理,在这365天日夜不断地接收着,经上海航天研制、发射并且目前还在运行着的接近50颗卫星的实时数据,其中有一半都已经是超寿命运行

为什么说这个地方很特别?我的手机24小时不能关,因为其中监测着我们系列的11颗星,如果数据有任何异常,比如温度高了,姿态超差了,能源紧张了,机构卡住了,监测人员都会第一时间打我电话。

为什么?因为我和我的团队,需要马上判断是否要应急抢救、处理,这关系到这颗星的存亡

卫星执行这几年间,甚至十几年间,设计师们的代码,年复一年孤独地运行在宇宙里,随着部件的损耗,它会越来越脆弱。

在“长管”这里,稳定的数据就代表着这颗卫星的存在,也代表在那时,那一批年轻的设计师们在它身上留下的印记

去“长管”的时候,随手翻一些老卫星的使用手册,你还会看到很多老院士、老专家、老先生的批注,再看一看我们很多总师在刚工作的时候编译的那些程序、软件,这么多年一直运行也很顺利。

虽然航天器是有寿命的,但有时候你回头看看那些数据,会发现在自以为迷茫彷徨的青年时期做出的设计,反而成为了现今不惑之年的指引和初心。

可能很多人潜意识里面,都会在航天器的身上留下亘古、永恒的标签,实际上也的确如此。时间在航天这里,有时候会变得特别真实。

实践六号卫星发射

图源:新华社

你的设计会留在航天器里,留在太空里,也会经下一代之手,不断地更新重生,在新的航天器里升级,焕发新的生机。

为什么每一次的火箭发射,都能让我们几十万航天人热泪盈眶。为什么那么一两次的失利,都会让所有人痛彻心扉。

因为这是有关历经艰险终有收获的共鸣,也因为我们每一个精益求精的设计,都化作经验、标准和基础,融在了下一代的航天器里,推动着这个伟大事业的不断前行。

我直接参与过大概20几次卫星的故障定位和应急抢救,目睹过很多,今天就给大家分享一个其中经历。

2019年9月23日,那一天是秋分。半夜的时候,实践六号01星报警,这颗星是2004年9月9日发射的,报警那天实际上已经超出了13年寿命。

它的有效载荷其实已经不执行任务了,更多时候是开机看一下效能。它仅有的使命是采集各个部件的数据,为下一代的高寿命航天器设计奠定基础。

当年的研制团队也已经散落在各个地方,我们其实已经完全没有义务再去费劲地解救这个星。但那天晚上,我第一次见到了很多人,早已是厂所领导的主任设计师,亲自来画故障树;

已经改做技改管理的软件设计师,重新翻出了当年的代码,仔细地翻阅;而已经退居二线,在家里面带着孙辈的测控设计师,与当年的内部技术参谋,反复地进行电话沟通。

为什么?因为秋分的那天晚上地影期最长,处理卫星故障的难度更大,我们所有人都不希望在那个晚上,这颗开创了一个系列的首发星就此消失。

后来怎么样?这是前两天它第87277圈的数据,在轨继续正常运行。

那一批设计师们,在那一刻穿过了长长的时间,化作了年轻的样子,站到了我们青年人的身前,撬动了十数年甚至数十年以后,眼前可见的未来。

本演讲整理自曲耀斌在2020年9月在中国航天大会“青聚闵江”青年科学家论坛上的演讲。

主办方:中国宇航学会、福州大学

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