控制技术在航空领域中的应用和成就
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  在轨表现卓越,甚至比地面试验验证效果还要好。尽管已是数日前的精彩,但谈起天宫神八的太空之吻,北京控制工程研究所三室副主任李彬仍抑制不住激动。

  在这次任务中,北京控制工程研究所负责了整个交会对接制导、导航与控制(GNC)系统的方案设计、技术设计与实现、软件设计、实现、测试与评测、系统产品集成与试验和飞行控制等任务,首次在轨成功应用天宫一号单框架控制力矩陀螺,140米以内承担相对位置和相对姿态测量的CCD光学成像敏感器等核心产品。

  稳:自主设计的控制力矩陀螺让重约八吨的庞然大物在精准对接前先刹车

  对于神舟八号和天宫一号的交会对接控制技术,好比是在高速飞行(比子弹的速度快8倍)的两个航天器之间,历经几十万公里的追逐,完成穿针引线的动作,并最终联成一体。也有人将它比喻是在高速飞驰过程中将钥匙插入锁眼中。这是一个是世界级的难题,此前只有美国和俄罗斯能够掌握此项技术。

  北京控制工程研究所机电中心研制团队做的工作,是让重约八吨的庞然大物在精准对接前先稳下来,这就是我国首次交会对接中首次在轨应用成功的天宫一号单框架控制力矩陀螺。

  作为姿态控制系统的关键部件之一,控制力矩陀螺产品具有输出力矩大、控制精度高、不消耗工质等优点。国外在控制力矩陀螺产品研制领域起步较早,早在上世纪60年代就开始将其用于通讯及气象卫星上,但在国内,直到上世纪90年代初,这项研制工作还处于空白状态。

  1998年,国家863计划专家组面向未来空间实验室和大型卫星发展的需要,确定了预先研究课题,经过综合比较,最终确定由北京控制工程研究所承担研制工作。

  历经十余年,先后更换了几任设计和生产负责人,走过原理样机、工程样机、初样、正样阶段。此过程好比盖房子,虎刚研究员打下坚实的地基,徐映霞研究员构建了牢固的架构,最终由武登云、魏大忠、李刚等人盖起了房子。

  即使如此,对一支平均年龄在35岁以下的年轻研制队伍来说,依然困难重重。

  感觉最缺乏的是经验。产品总工张激扬说,年轻的研制团队一度也希望得到国外同行的帮助。
俄罗斯圣彼得堡指挥仪表所是研制控制力矩陀螺的专业院所,建所以来一共生产各型号控制力矩陀螺产品1000多台套,用于俄罗斯各种型号卫星和空间站,其控制力矩陀螺研制水平在国际上首屈一指。

  2006年,张激扬随研制团队前往圣彼得堡,获得与仪表所研制人员面对面交流的机会。

  当时我们非常兴奋,准备了很多问题,想与俄方进行技术交流时,却被委婉拒绝。张激扬印象深刻的是,每一次交流,都有俄方的商务官员全程陪同防止泄密,戒备心理很强。

  从国外直接进口?美国不卖,和法国提出买一个小陀螺对方开出的价码是1000万美金,价格贵,自身还学不到技术。

  从国外同行那里寻求帮助的路行不通,张激扬深深理解了一句话,真正的核心技术是买不来的,掌握在自己手上的技术才是真正的核心技术。

  作为交会对接任务的核心技术产品之一,控制力矩陀螺必须确保产品质量性能稳定可靠,做到高可靠和长寿命是得到应用的前提条件。

  为了保证控制力矩陀螺产品首次上天万无一失,控制力矩陀螺研制团队制定了周密的专项可靠性试验计划。值得一提的是框架驱动组件寿命试验,为了监测不同工况下的驱动组件转速控制精度,需要研制人员每天记录相关参数,并对转速控制精度进行实时计算。几位年轻的研制人员,在两年多的时间里,不分工作日节假日,每天轮换,从未间断。

  2010年,圣彼得堡指挥仪表所专家回访北京控制工程研究所。在交流会上,俄方专家很好奇地问:你们不是要建设自己的空间实验室吗,为什么没有买我们的控制力矩陀螺产品呢?产品总工张激扬自豪地回答:我们已经干出来了!

  精:CCD相机让对接精确到毫米

  为完成神舟八号与天宫一号的完美之吻,交会对接制导、导航与控制系统特地为飞船精心安装了一双亮闪闪的眼睛CCD光学成像敏感器。在交会对接过程中,地面雷达、GPS等设备把神舟八号这把钥匙顺利送达天宫一号,使两个飞行器之间的距离从几百公里接近到140米左右,接下来,在CCD相机指引下,两个飞行器继续靠近,并实现最后逼近直到对接完成。

  成像中心主任赵春晖说,两个飞行器最后靠拢阶段是交会对接最关键的阶段,也是难度最大、要求最高、风险极大的阶段,时速每秒7.8公里的飞船与天宫之间的距离从140米到完成对接,此时任何故障都有可能导致重大安全事故。

  CCD敏感器好像人的眼睛,当两个高速飞行的飞行器快速靠近时,即使在太阳强光直射时也不能眨眼,而且还得给天宫一号上的6个目标灯拍照,对照片实施实时分析后判断距离。赵春晖说,这个阶段将全面考核控制系统的测量敏感器、控制方案、系统可靠性等各项指标,因为地面的指令对控制精度等已经无能为力。

  为了充分验证测量设备的抗干扰能力,二次对接在光照区举行,还得考虑强阳光对测量设备所造成的干扰。为此科研人员做了大量试验,包括大量空间环境适应性研究。

  2009年12月,交会对接敏感器研制队伍进行了为期15天的室外杂光验证试验。那几天北京正值寒冬,气温多在零下十多摄氏度,五六级的西北风还经常来光顾。说是试验场地,其实就是用警戒线临时隔离出来的一段人车都比较少的马路。他们每天都要跟在平板卡车后步行约10公里路程赶赴试验场地,然后布置场地,展开设备等。为了赶试验进度,他们每天在凛冽的寒风中通常要工作近12个小时。场地周围连个小饭馆都没有,泡面就是他们的中餐。由于连续的野外寒风中作业,很多人的脸和手脚都长了冻疮。

  第一次试验结果显示,精度比国外标准还高一个量级,当时赵春晖还不敢相信,直到后来美国公开的文献提到的研究进展和我们的一致,我的心才落了地。

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