中國(guó)交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)：太空"穿針"有"慧眼"

  ICC訊 試想，在超高速公路上，兩輛小汽車正以每秒7.8公里的極速飛馳。如果讓后一輛汽車向前加速，分毫不差地將車頭上的一根細(xì)線穿進(jìn)前車車尾的針眼里，該怎樣做到？

  你大概會(huì)說(shuō)，這不可能。

  然而，中國(guó)電科二十七所(以下簡(jiǎn)稱“二十七所”)交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)，讓這種不可能成為可能。

  對(duì)這個(gè)團(tuán)隊(duì)而言，要實(shí)現(xiàn)穿針引線的“小汽車”其實(shí)就是太空中的飛船與空間站，“針眼”就是航天器的對(duì)接接口。而在太空中引導(dǎo)飛船與空間站實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接的“慧眼”，就是交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)。

  從2011年在神舟八號(hào)首次亮相，到2021年助力神舟十三號(hào)與空間站組合體首次實(shí)現(xiàn)徑向交會(huì)對(duì)接，再到今年10月26日助力神舟十七號(hào)對(duì)接空間站核心艙前向端口形成“三艙三船”組合體，交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)已多次支撐我國(guó)載人航天任務(wù)完成。

  “雪山腳下蹚出一條路”

  神舟十七號(hào)發(fā)射前，魏龍超的心弦又繃緊了。

  作為二十七所光電系統(tǒng)部高級(jí)工程師，魏龍超在交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)的研發(fā)道路上已經(jīng)走了10年。向科技日?qǐng)?bào)記者回憶起研發(fā)之初的經(jīng)歷，他感慨萬(wàn)千。

  1995年，二十七所激光部起草論證書(shū)，“太空中的慧眼”從構(gòu)想走向科學(xué)體系論證；2005年，交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)研發(fā)項(xiàng)目正式啟動(dòng)，應(yīng)用目標(biāo)是用于6年后升空的“神八”。

  當(dāng)時(shí)，交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)是一項(xiàng)前無(wú)古人的新技術(shù)，無(wú)技術(shù)基礎(chǔ)、缺乏相關(guān)文獻(xiàn)，實(shí)地測(cè)試條件也不具備。

  “要做出一個(gè)在天上用的激光雷達(dá)，可我們沒(méi)人上過(guò)天?！蔽糊埑f(shuō)，“天上的條件到底是怎么樣的，我們根本就不知道。”

  研發(fā)團(tuán)隊(duì)只能參考國(guó)內(nèi)外資料，再結(jié)合地面試驗(yàn)，推演太空中的情況。二十七所所址在河南鄭州，由于海拔低，受大氣環(huán)流影響大，不適合做地面試驗(yàn)。幾經(jīng)考察，他們把試驗(yàn)地選在了云南麗江。

  二十七所光電系統(tǒng)部高級(jí)工程師封治華，到現(xiàn)在都還記得麗江那個(gè)早春——

  2011年3月，距離“神八”發(fā)射不足一年，激光雷達(dá)處于驗(yàn)證調(diào)試的關(guān)鍵期。在經(jīng)歷兩周不眠不休的“魔鬼式”系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，封治華一行五人帶著激光雷達(dá)來(lái)到麗江，測(cè)試激光雷達(dá)的信號(hào)接收與系統(tǒng)探測(cè)跟蹤威力。

  為了模仿太空中的交會(huì)對(duì)接環(huán)境，他們把激光雷達(dá)主設(shè)備架在酒店頂樓，然后在距其約11公里的山上放置信號(hào)捕獲目標(biāo)。

  那是一座玉龍雪山腳下的小荒山，人跡罕至。封治華和另外兩名設(shè)計(jì)師一起，背著兩套重達(dá)幾十斤的接收設(shè)備，在滿是坑洼與石礫的大山上，尋找合適的接收點(diǎn)位。

  “激光雷達(dá)的搜索范圍有限，我們背著接收器在山上不停地移動(dòng)，反復(fù)變換位置，不斷配合調(diào)試來(lái)完成信號(hào)接收。荒山野嶺間沒(méi)有路，只能硬生生地蹚?！狈庵稳A說(shuō)，天氣晴朗時(shí)，抬眼望向不遠(yuǎn)處玉龍雪山，扇子陡峰巍峨高聳，像是一個(gè)對(duì)著天空畫(huà)出的驚嘆號(hào)。

  封治華的回憶里，玉龍雪山下的那個(gè)春天，很美；自己用腳步丈量出的路，很長(zhǎng)。

  “從0到100”

  雖然在交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)研發(fā)之初，二十七所研發(fā)團(tuán)隊(duì)完全處于“零基礎(chǔ)”的狀態(tài)，但是中國(guó)航天對(duì)團(tuán)隊(duì)提出的要求是——“百分百”。

  “這不是‘從0到1’，是‘從0到100’?！蔽糊埑f(shuō)，中國(guó)航天的質(zhì)量管理體系極其嚴(yán)格，每一件產(chǎn)品下線之前，技術(shù)人員必須對(duì)其有百分之百的把握。

  “有一次，我們做系統(tǒng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，顯示有系統(tǒng)干擾。排查定位問(wèn)題沒(méi)有捷徑可走，我們從分系統(tǒng)到單機(jī)、從電路板再到微小的器件逐一測(cè)試。干擾源種類多，干擾又屬于偶發(fā)現(xiàn)象，需要24小時(shí)不斷進(jìn)行。經(jīng)過(guò)連續(xù)奮戰(zhàn)，我們最終發(fā)現(xiàn)是某一處電路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致了電磁干擾?！狈庵稳A回憶說(shuō)。

  找到問(wèn)題后的修改更是難處所在。整個(gè)系統(tǒng)相連，牽一發(fā)而動(dòng)全身，對(duì)一處細(xì)節(jié)進(jìn)行的小改動(dòng)就可能影響到全局。如同用積木蓋了一座高樓，要變動(dòng)其中的一塊，就要考慮對(duì)整體的影響。

  “指甲蓋大小的改動(dòng)微不足道，卻要經(jīng)過(guò)不斷的平衡、復(fù)盤(pán)和測(cè)試，相當(dāng)于要把整個(gè)系統(tǒng)重做一遍?！碑a(chǎn)品交付后，封治華心里的石頭并沒(méi)有落地。

  雷達(dá)上天以后能不能圓滿完成任務(wù)？天地差異的計(jì)算是否精準(zhǔn)？飛船萬(wàn)一沒(méi)有對(duì)接上怎么辦？無(wú)數(shù)個(gè)問(wèn)號(hào)在他心里“咚咚咚”地敲鼓。

  “航天與地面操作不一樣，它不能維修，也無(wú)法重來(lái)。理性上，所有實(shí)驗(yàn)都做過(guò)了，能驗(yàn)證的也都驗(yàn)證完成了，并且做了很多冗余設(shè)計(jì)；感性上，我就是止不住地忐忑、擔(dān)心。就像是一個(gè)母親擔(dān)心出遠(yuǎn)門(mén)的孩子?！狈庵稳A說(shuō)，“有一次，我做噩夢(mèng)，夢(mèng)見(jiàn)主任對(duì)我說(shuō)，咱們的雷達(dá)沒(méi)對(duì)上，我一下就驚醒了。過(guò)幾分鐘才緩過(guò)來(lái)，想起飛船還沒(méi)發(fā)射?！?

  2011年11月3日，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)成功完成剛性連接，形成組合體，交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)首戰(zhàn)告捷。然而，坐在會(huì)議室大屏幕前的團(tuán)隊(duì)成員們，卻并沒(méi)有爆發(fā)出想象中的掌聲與歡呼。擦掉淚水與汗水，他們更多的感覺(jué)是放松——今晚，終于可以睡個(gè)好覺(jué)了。

  “激光雷達(dá)技術(shù)永不成熟”

  隨著我國(guó)航天技術(shù)不斷更新迭代，二十七所研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越多。徑向交會(huì)對(duì)接，成為擺在團(tuán)隊(duì)面前的新任務(wù)。

  “形象地說(shuō)，原來(lái)的對(duì)接方式是‘兩車追尾’，而徑向交會(huì)對(duì)接就是后面的汽車‘漂移’過(guò)去，拐個(gè)急彎，精確地把‘線’穿到前車車頭的針眼里去?！狈庵稳A說(shuō)。

  2021年10月，神舟十三號(hào)載人飛船搭載3名航天員發(fā)射成功，并首次以徑向交會(huì)對(duì)接的方式實(shí)現(xiàn)與天和核心艙的連接。

  “這次對(duì)接在觀測(cè)坐標(biāo)系復(fù)雜變換的條件下，激光雷達(dá)始終保持對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，并在預(yù)設(shè)切換點(diǎn)迅速完成不同合作目標(biāo)間快速切換，保證了全程高精度測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定有效?！蔽糊埑院赖卣f(shuō)。

  2023年5月，航天交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)與神舟十六號(hào)同步升空，成功進(jìn)行了空間站核心艙徑向端口交會(huì)對(duì)接的精確引導(dǎo)，完成了中國(guó)空間站應(yīng)用與發(fā)展新階段的首次載人任務(wù)。

  此次，在神舟十七號(hào)飛船與空間站核心艙前向端口交會(huì)對(duì)接接近段和靠攏段，激光雷達(dá)順利完成了對(duì)目標(biāo)空間站的搜索、捕獲、跟蹤測(cè)量，支持飛船GNC系統(tǒng)完成空間交會(huì)對(duì)接控制任務(wù)并形成“三艙三船”組合體，助力中國(guó)空間站應(yīng)用發(fā)展進(jìn)入新階段。

  “激光雷達(dá)‘上天’這么多次，是否意味著這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟？”記者向二十七所光電系統(tǒng)部負(fù)責(zé)人范海震提問(wèn)。

  “不，激光雷達(dá)技術(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)成熟。我們始終有新的山峰要攀，新的困難要攻克，新的路要走?！狈逗Ｕ鹫f(shuō)，目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了后續(xù)神舟飛船的激光雷達(dá)配備，并同時(shí)著手研發(fā)更先進(jìn)的設(shè)備，為服務(wù)國(guó)家探月、探火戰(zhàn)略作技術(shù)儲(chǔ)備。

  “上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰(shuí)能極之？”兩千多年前，屈原于川澤之間叩擊的《天問(wèn)》，正在得到新時(shí)代中國(guó)科技工作者的回應(yīng)。