在太空中怎样不迷路？专访飞船“大脑”设计者

　　飞船工程组的日常工作状态（航天五院502所供图）

　　“如果没有GNC，飞船只能停留在科学幻想的阶段。”什么是GNC？它为何如此重要？带着这个问题，记者走进了中国航天科技集团公司五院502所飞船工程组。

　　他们是我国11艘神舟飞船、1艘货运飞船GNC系统的缔造者，从成千上万的信息流和代码中“抽丝剥茧”，让太空漫步、太空之吻一步步变成现实。

　　从无到有，确保飞船安全回家

　　GNC，是制导导航与控制的英文缩写，相当于飞船的“眼睛”和“大脑”。它负责飞船飞行全过程的姿态和轨道控制以及在轨太阳帆板控制。也就是说，飞船如何运动、如何返回是由GNC决定的。

　　1994年，飞船工程组初成立时，只有美国和俄罗斯掌握飞船GNC技术。

　　“可以说，从无到有是靠人和时间堆砌起来的。”据参与了11艘神舟飞船GNC系统研制的班组产品保证经理李婷介绍，当时的计算机落后，大部分计算和数据判读需要人工完成，当时已50多岁的原班组长王南华带领十几个组员不分昼夜地做设计、计算、测试。“已经到了痴迷的程度。他们曾经半年时间吃住在单位，即便后来到了发射场，还在编写控制软件。”

　　终于，在继承我国返回式卫星控制系统成熟技术的基础上，该班组拿出了我国第一个具有制导、导航和控制全部功能的GNC系统，并且能够做到“一重故障正常，两重故障安全”，确保航天员的安全。

　　为了让航天员从太空“回家”时能够更有方向感，飞船落点更精准，在型号领导及专家的带领下，班组成员在飞船的姿态确定与返回再入控制技术上下了大功夫，先后突破了多项新技术，如在轨姿态对准技术、返回再入自适应制导技术等，保证了飞船具备多种条件下安全准确返回的能力。同时，班组还从技术总体角度突破了高可靠三级容错控制计算机、大规模嵌入式GNC 软件、具有消隐功能的新型红外地球敏感器等关键产品和技术，设计并开发了全面的地面验证系统。最终，神舟五号落地时“打靶中了十环”。

　　从有到强，操控飞船“万里穿针”

　　倘若说攻克返回控制技术是神舟飞船第一代GNC系统，那么攻克交会对接技术当属第二代GNC系统。

　　2011 年11 月3 日，天宫一号和神舟八号上使用的光学成像敏感器上演了首次“太空之吻”，对接精度比设计要求高近10倍，性能指标达到世界前列，标志着我国首次掌握了空间交会对接GNC技术。

　　那一刻，北京指挥控制中心的飞船工程组团队激动地抱在了一起。“起初心里很没底，当看到交会对接精度时，非常激动，五六年的辛苦付出值了，后续工作的信心也更足了。”班组长刘宗玉回忆起来，仍然难掩激动。

　　相比第一代的“刀耕火种”，现在的他们有了更加强大的工具：快速仿真技术、虚拟测试平台等现代信息技术的支持。“通过仿真设计，提出指标和要求，形成任务书，然后把任务书变成一个个产品，通过充分细致的测试、试验验证使设计‘迭代’。”班组成员郝慧如此描述他们的工作。

　　在神舟八号飞船GNC分系统研制中，交会对接敏感器是最关键也是最难啃的硬骨头。为了在地面验证其性能，2007年-2011年，飞船工程组专门模拟交会对接轨迹和环境，先后奔赴阿拉善等地开展试验。

　　据副组长冯烨回忆，阿拉善的冬天特别冷，白天他们冒着严寒测试，晚上就几个人挤在临时搭建的帐篷里互相取暖。而在挂飞试验中，他们更是只能坐在夹板上判读测试数据，颠簸得头晕恶心。“我记得，在酒泉做试验时，气温达到40摄氏度，大巴车里开着空调，可温度始终降不下来。”组员刘增波说。

　　正是因为这些严丝合缝的试验与测试验证，才有了神舟八号和天宫一号精准漂亮的“万里穿针”。

　　有趣的是，为了帮助航天员训练，他们在地面上设计了一整套模拟座舱系统，航天员在这里可以真实模拟太空手控交会对接操作。“于是，这里成了全国首个‘太空驾校’，航天员每一次过来模拟操作时都非常认真，有时还会要求多操作几遍。”班组成员李志宇说。

　　从神舟到天舟，交会时长缩至1/8

　　2017年9月12日，我国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号实现了首次快速交会对接，从入轨到交会对接的全过程，由以往的2天缩短至6.5个小时。

　　其实早在2012年，当人们还沉浸于交会对接任务圆满成功的喜悦中时，飞船工程组就瞄准了快速交会对接这项新技术。2015年末，天舟一号GNC系统正样硬件和软件产品研制已经完成，开始出厂前最后阶段的测试，而这时有专家试探性地提出能否在天舟一号上实现快速交会对接，飞船工程组兴奋地答应了，他们着实为自己的先见之明高兴了一番。

　　飞船工程组需要在不打乱既定研发计划的基础上，用最短的时间、做最少的改动来满足新任务要求。为此，他们1年内升级了10个软件版本，有效提高了在工程约束下的GNC系统的精度和可靠性，也让飞船变得更聪明，更自主，把原来需要地面干预的工作交给天舟一号计算机自主进行……

　　负责货运飞船GNC分系统测试的组员李明明说，飞船的初样测试是一个痛苦的迭代过程，因为总会发现问题，然后进行设计改进、再测试……“从2012年8月~2014年5月，我们大都是晚上九十点下班。”

　　工作中，班组成员“每个人心中都有一根关于‘细致’的‘弦’”。例如，加电测试阶段，他们负责的数据参数表有600多页，需要关注的参数有3000多个。“每个参数的变化都有可能反映系统的特征表现，即便暂时没有表现出问题也要找出原因，防止一切可能出现的问题。”组员高伟告诉记者。

　　新老搭配，“雁阵”团队平均33岁

　　记者在采访中了解到，在飞船工程组内部，不同专业领域人员就如同七巧板，任何一块都不能缺。如何让这些人才发挥出1+1＞2的效果，将型号研制与人才梯队建设有机融合，是几代班组长一直在践行的课题。

　　他们想到，自然界中，“人”型雁阵是大雁飞得最快最省力的构型，雁阵飞行速度是单只大雁的1.71倍。因此，飞船工程组借鉴这一理念,首创了“雁阵”人才培育模式——正、副组长为领头雁，负责领飞；技术平台负责人为中坚雁，负责带飞；组员为前行雁，负责跟飞。

　　据了解，第一任“领头雁”王南华是将“严慎细实”作风诠释到极致的人。她习惯随身携带笔记本，把问题和要点随时记录在册。对于每一个设计接口，他都坚持测试到位、眼见为实。当时已是50多岁的她，每次测试都陪年轻人工作到深夜两三点。“搞航天走的是一条攀登路，任务重，风险大，只能尽一切可能做好！”王南华说。她这种严慎细实的作风被“阵里的雁子们”很好地传承了下来。

　　近年来，飞船组型号任务出现井喷式发展，班组又衍生出了动态化的“微雁阵”。“从生物学角度考虑，大雁在飞的过程中是会交替换位的，以达到省力的效果。”副组长冯烨介绍说，“我们把不同的飞船型号作为不同的平台，每个平台有一个成熟的技术骨干担任负责人，带领几名技术人员开展设计或测试工作。当这几个人逐渐成熟后，再把他们分到其他平台的不同位置上去。”

　　这种新老搭配、交替换位的模式，不仅提高了工作效率，也加速了人才的成长。目前，飞船工程组全部成员仅有19人，平均年龄还不到33岁。“小团队”做出了“大成绩”。未来，他们将用自己的双手，续写中国人的太空传奇，将越来越多的梦想变成现实。

　　作者： 赵竹青