中國交會對接激光雷達：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線穿進前車車尾的針眼里，該怎樣做到？

  你大概會說，這不可能。

  然而，中國電科二十七所(以下簡稱“二十七所”)交會對接激光雷達團隊，讓這種不可能成為可能。

  對這個團隊而言，要實現(xiàn)穿針引線的“小汽車”其實就是太空中的飛船與空間站，“針眼”就是航天器的對接接口。而在太空中引導飛船與空間站實現(xiàn)交會對接的“慧眼”，就是交會對接激光雷達。

  從2011年在神舟八號首次亮相，到2021年助力神舟十三號與空間站組合體首次實現(xiàn)徑向交會對接，再到今年10月26日助力神舟十七號對接空間站核心艙前向端口形成“三艙三船”組合體，交會對接激光雷達已多次支撐我國載人航天任務完成。

  “雪山腳下蹚出一條路”

  神舟十七號發(fā)射前，魏龍超的心弦又繃緊了。

  作為二十七所光電系統(tǒng)部高級工程師，魏龍超在交會對接激光雷達的研發(fā)道路上已經(jīng)走了10年。向科技日報記者回憶起研發(fā)之初的經(jīng)歷，他感慨萬千。

  1995年，二十七所激光部起草論證書，“太空中的慧眼”從構想走向科學體系論證；2005年，交會對接激光雷達研發(fā)項目正式啟動，應用目標是用于6年后升空的“神八”。

  當時，交會對接激光雷達是一項前無古人的新技術，無技術基礎、缺乏相關文獻，實地測試條件也不具備。

  “要做出一個在天上用的激光雷達，可我們沒人上過天?！蔽糊埑f，“天上的條件到底是怎么樣的，我們根本就不知道?！?

  研發(fā)團隊只能參考國內(nèi)外資料，再結合地面試驗，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。幾經(jīng)考察，他們把試驗地選在了云南麗江。

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

  2011年3月，距離“神八”發(fā)射不足一年，激光雷達處于驗證調試的關鍵期。在經(jīng)歷兩周不眠不休的“魔鬼式”系統(tǒng)聯(lián)調后，封治華一行五人帶著激光雷達來到麗江，測試激光雷達的信號接收與系統(tǒng)探測跟蹤威力。

  為了模仿太空中的交會對接環(huán)境，他們把激光雷達主設備架在酒店頂樓，然后在距其約11公里的山上放置信號捕獲目標。

  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計師一起，背著兩套重達幾十斤的接收設備，在滿是坑洼與石礫的大山上，尋找合適的接收點位。

  “激光雷達的搜索范圍有限，我們背著接收器在山上不停地移動，反復變換位置，不斷配合調試來完成信號接收。荒山野嶺間沒有路，只能硬生生地蹚?！狈庵稳A說，天氣晴朗時，抬眼望向不遠處玉龍雪山，扇子陡峰巍峨高聳，像是一個對著天空畫出的驚嘆號。

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

  “從0到100”

  雖然在交會對接激光雷達研發(fā)之初，二十七所研發(fā)團隊完全處于“零基礎”的狀態(tài)，但是中國航天對團隊提出的要求是——“百分百”。

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

  “有一次，我們做系統(tǒng)測試時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，顯示有系統(tǒng)干擾。排查定位問題沒有捷徑可走，我們從分系統(tǒng)到單機、從電路板再到微小的器件逐一測試。干擾源種類多，干擾又屬于偶發(fā)現(xiàn)象，需要24小時不斷進行。經(jīng)過連續(xù)奮戰(zhàn)，我們最終發(fā)現(xiàn)是某一處電路設計不合理導致了電磁干擾。”封治華回憶說。

  找到問題后的修改更是難處所在。整個系統(tǒng)相連，牽一發(fā)而動全身，對一處細節(jié)進行的小改動就可能影響到全局。如同用積木蓋了一座高樓，要變動其中的一塊，就要考慮對整體的影響。

  “指甲蓋大小的改動微不足道，卻要經(jīng)過不斷的平衡、復盤和測試，相當于要把整個系統(tǒng)重做一遍。”產(chǎn)品交付后，封治華心里的石頭并沒有落地。

  雷達上天以后能不能圓滿完成任務？天地差異的計算是否精準？飛船萬一沒有對接上怎么辦？無數(shù)個問號在他心里“咚咚咚”地敲鼓。

  “航天與地面操作不一樣，它不能維修，也無法重來。理性上，所有實驗都做過了，能驗證的也都驗證完成了，并且做了很多冗余設計；感性上，我就是止不住地忐忑、擔心。就像是一個母親擔心出遠門的孩子?！狈庵稳A說，“有一次，我做噩夢，夢見主任對我說，咱們的雷達沒對上，我一下就驚醒了。過幾分鐘才緩過來，想起飛船還沒發(fā)射?！?

  2011年11月3日，神舟八號飛船與天宮一號成功完成剛性連接，形成組合體，交會對接激光雷達首戰(zhàn)告捷。然而，坐在會議室大屏幕前的團隊成員們，卻并沒有爆發(fā)出想象中的掌聲與歡呼。擦掉淚水與汗水，他們更多的感覺是放松——今晚，終于可以睡個好覺了。

  “激光雷達技術永不成熟”

  隨著我國航天技術不斷更新迭代，二十七所研發(fā)團隊面臨的挑戰(zhàn)也越來越多。徑向交會對接，成為擺在團隊面前的新任務。

  “形象地說，原來的對接方式是‘兩車追尾’，而徑向交會對接就是后面的汽車‘漂移’過去，拐個急彎，精確地把‘線’穿到前車車頭的針眼里去?！狈庵稳A說。

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

  “這次對接在觀測坐標系復雜變換的條件下，激光雷達始終保持對預設目標的穩(wěn)定跟蹤，并在預設切換點迅速完成不同合作目標間快速切換，保證了全程高精度測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定有效。”魏龍超自豪地說。

  2023年5月，航天交會對接激光雷達與神舟十六號同步升空，成功進行了空間站核心艙徑向端口交會對接的精確引導，完成了中國空間站應用與發(fā)展新階段的首次載人任務。

  此次，在神舟十七號飛船與空間站核心艙前向端口交會對接接近段和靠攏段，激光雷達順利完成了對目標空間站的搜索、捕獲、跟蹤測量，支持飛船GNC系統(tǒng)完成空間交會對接控制任務并形成“三艙三船”組合體，助力中國空間站應用發(fā)展進入新階段。

  “激光雷達‘上天’這么多次，是否意味著這項技術已經(jīng)成熟？”記者向二十七所光電系統(tǒng)部負責人范海震提問。

  “不，激光雷達技術永遠不會成熟。我們始終有新的山峰要攀，新的困難要攻克，新的路要走。”范海震說，目前，團隊已經(jīng)完成了后續(xù)神舟飛船的激光雷達配備，并同時著手研發(fā)更先進的設備，為服務國家探月、探火戰(zhàn)略作技術儲備。

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