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神九火箭设计师:三套控制系统让火箭更可靠

2018-07-08 来源:网络整理 责任编辑:采集侠 点击:

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 神九火箭设计师:三套控制系统让火箭更可靠

长征二号F火箭控制系统主任设计师吕新广做客新浪嘉宾访谈。于杰摄


 神九火箭设计师:三套控制系统让火箭更可靠

长征二号F火箭控制系统主任设计师吕新广。于杰摄


  6月15日上午,中国航天科技集团运载火箭技术研究院第12研究所,长征二号F火箭控制系统主任设计师吕新广做客新浪嘉宾访谈,介绍神舟九号飞船火箭系统相关情况,以下为访谈实录。

  神九火箭控制精度几十米

  主持人姫少亭:现在西北大漠戈壁滩上的东风航天城,宁静被打破,中国乃至世界的目光聚焦于酒泉卫星发射中心一处湖蓝色的发射塔架。塔架内是神舟九号载人飞船和长征二F遥九火箭组合体,它们正等待3名中国航天员的“登机”,然后一起飞往太空,与天宫一号目标飞行器进行交会对接。这是继去年11月无人乘坐的神舟八号飞船与天宫一号进行自动交会对接后,中国首次实施由航天员来完成的手动空间交会对接任务,将为2020年前后建造空间站奠定基础。 大家好,我是叫小姫,是科学松鼠会,果壳网线下活动主持人,也是新华社记者。今天我们邀请到中国航天科技集团运载火箭技术研究院第12研究所,长征二号F火箭控制系统主任设计师吕新广老师。
    吕新广:大家好!
    主持人姫少亭:吕老师的专业是火箭控制系统,今天我们想跟吕老师谈的有火箭推进方面,火箭控制方面,科学方面的一些知识,也希望吕老师给我们介绍一下天空方面各种各样的知识,我们希望能够聊的中国人进入太空的话题。 请问吕老师,火箭控制系统到底是什么样的意思?
    吕新广:首先更正一下,我做的虽然是控制系统,实际上我本身的专业是控制系统下属的制导系统,对火箭系统来讲就是控制火箭如何在天上飞,包括几个主要任务,一个是控制火箭非常的稳定,因为咱们火箭推进器在底下,对一个物体来讲,如果在前面拉着它,这个物体会非常的稳定。但你如果在后面推着,在空中它没有支撑,这个是不稳定的,所以控制系统一项基本的工作是保持火箭的稳定。另外还有其他的功能,一个是要控制火箭的点火、关机的时序,我们叫各种各样的时序。如果发生某些故障还要逃逸,逃逸的时候也要发一些指令。另外一个重要的任务,控制火箭准确的入轨,提前要确定好了一个轨道,像数字计算出来的在某个地球上绕着某个地方转的一条轨道,我们要让它准确的进入这条轨道。
主持人姫少亭:这在我们普通人看来是非常不可思议的事情。这个火箭控制系统分为两个部分,一部分在火箭上,一部分在地面,还是全部由在太空中的火箭自己控制它的飞行轨迹?
吕新广:对火箭来讲,现在都是在火箭上面,都是自动的,相当于是发射之后你很难控制了,几乎没有任何控制手段。只有一个例外,就是这个火箭已经不行了,我要炸掉它,这是地面唯一可以控制的手段。包括之前从火箭诞生以来,因为它的特点就是时间很短,人的反应很难快速的控制它,所以它都是在火箭上完成的。
    主持人姫少亭:我们地面要控制它会有一个时滞吗?
    吕新广:你先要判断,然后再做。它跟卫星不一样,卫星是可以的,它在天上一转好多天,好多年,而且它大部分不需要动力,在地球引力下形成一个轨道,你需要做什么动作就提前发一个指令,甚至可以几个人校对确定了没有问题,告诉它过多长时间做一个什么样的动作,卫星一般是地面和天上结合。
    主持人姫少亭:这个听上去是非常精密的计算,我们火箭在太空中悻悻地时候,精确要精确到什么程度才不会出错?
    吕新广:这个控制精度跟不同的轨道有关系,对于大椭圆,或者很大的圆轨道,离地球很远的是36000多公里,在这个量级上,我们一般对火箭的要求控制精度是百公里级的,一百多公里都是可以接受的。神九一般要控制在两三公里左右,但是对我们现在实现来讲,我们火箭现在做的水平比这个要高。
    主持人姫少亭:还要高?
    吕新广:对,现在要达到百米甚至几十米的水平。
    主持人姫少亭:我想问当火箭出现一些偏差的时候,会有哪些问题造成轨道的偏差?什么样的偏差会导致几公里,甚至数百公里的偏差?
    吕新广:如果控制不怎么参与,制导,导引,实时的算轨道应该往那个方向飞的制导系统不怎么工作,它飞出去会离的很远,干扰太多了。出大气层受大气带来的变化,另外发动机,每一个火箭虽然咱们这么装上看上去非常精密,但实际上每一个喷火的管,安装上必然有一个偏差,不可能严格的说朝那个方向就向哪个方向,几个角分,甚至十几个角分的偏差。当然还有其他的干扰,火箭预计的重量不一样,加注的时候不可能加满200吨燃料正好是200吨,往往多加一吨或者少加半吨都有可能。
    主持人姫少亭:会不会宇航员身体体重发生变化也会有偏差?
    吕新广:这个都在偏差以内。
    主持人姫少亭:吕老师是一个非常年轻的专家,当看到他的履历之后我简直吓了一跳是1978您出生的,已经是主任设计师。在我印象中,设计火箭的科学家都是白发飘飘的老爷爷,我没想到科学家是这么一个年轻的状态。不知道你们团队都是这么年轻的吗?
    吕新广:应该说是绝大部分。
    主持人姫少亭:你的觉得研究院里都是老爷爷。
    吕新广:至少头发花了一半,但是现在确实是航天系统里年轻人占相当大的一部分,像发射神九这么重要的任务,实际上真正在靶场工作的35岁以下占到70%、80%的样子。
    主持人姫少亭:为什么会这么年轻?
    吕新广:现在老一辈的专家,航天稍微有一个断层,从45岁以上到60岁这一段人比较少,可能是那些年重点发展经济,1998年之前那一段放下了一些,但是现在航天又比较火热。
    主持人姫少亭:为什么会出现这样的火热?
    吕新广:这跟国家的政策有关系,这些年国家确实对航天重视了很多,我们自己明显能感受出来。当我们刚刚工作的时候,那时候是2003年左右,那时候任务明显比现在少很多。那时候一年打两三发火箭,正常是一年一两发,两三发,现在一年几十发,长三甲这种火箭一年能打几十发,这种打下来非常的多。我们正在研制的,一些新型的运载火箭都上马了,包括国家一些大的工程,载人航天、探月这些,航天现在虽然人员加了很多,但是活也多了很多。
    主持人姫少亭:您认为国家为什么在这个方向上有这么大的变化,为什么突然重视航天技术的发展?
    吕新广:因为航天还是代表着国家比较尖端的一项技术,在世界上能够掌握这项技术的不是特别多,可能跟武器有一些千丝万缕的关系。在增强国力方面,航天是非常重要的。
    主持人姫少亭:我觉得现在国家在宣传的时候也经常提到,这是我们综合国力的一个表现,这为我们国家的发展做出巨大的贡献。我刚刚来的路上,出租车司机,我问他你听说神九发射这个事情,他说我知道,今天马上就要公布发射日期了。我说你为什么这么关注这件事情?他说因为这是我们综合国力的体现,这是我们国家的一件大事。其实我自己关心这个问题的时候,我会想说,关于人类空间的探测,实际上人类向太空进行探险的行为,是对全人类都有意义的一件事,我很想知道我们国家在宣传的时候,经常把目光锁定在这是我们综合国力的体现,而不去提是为全人类发展都有贡献的事情,我们的技术已经是比较尖端的技术了,我们是为数不多能把人类放到探索天空的国家。
    吕新广:应该说是第三个独立把自己的航天员送上太空。
    主持人姫少亭:为什么我们不提中国在太空探索方面对人类做出的贡献?
    吕新广:我觉得毕竟还有人走在我们的前面。
    主持人姫少亭:还没有能够为人类太空探索做出巨大的贡献。
    吕新广:我们以后会做出贡献,等我们也真正站在最前列的时候,毕竟现在有一些工作人家已经做过了,如果说对全人类做出多大贡献,他们已经做过这个工作了,人类已经达到这个水平了。以后我想随着国家在航天这方面投入这么多,以后会很快的赶上。
    主持人姫少亭:谢谢吕老师,我们先不要关心人类,我们先关心一下你的专业。你从什么时候开始参加长征火箭的设计?你说从神四的时候就开始参加了,那时候是2002年,你还没有毕业就开始参与设计了。
    吕新广:那时候不算参与设计,只是参加了一个发射任务,我有一个体验。真正开始参加设计应该在神舟五号研发的时候,从2003年开始,往后神五、神六、神七、包括天宫一号都在靶场,比较幸运。
    主持人姫少亭:你真的见证了中国航天史发展非常大的一个阶段。你说那一段时间经常在靶场,现在马上就要发射了,你为什么在北京?
    吕新广:我这一次没有去,我们搞制导系统另外两位同事去了。
    主持人姫少亭:你自己想去吗?
    吕新广:我自己本身还是挺想去的。
    主持人姫少亭:你能给我们介绍一下,从神四开始,一直到现在的长征二号F火箭,变化历程是什么样的,我们做了哪些改进,有哪些突破?尤其这一次跟之前相比到底有什么不一样的地方?
    吕新广:咱们这个火箭长征二号F火箭,最早是从长二捆改过来的,长二捆大家还是比较熟悉,当年报道也是挺多的,后来为了发射飞船提高了一些可靠性,很多地方做了一些冗余设计,可靠性设计,成了现在的长征二号F火箭。这个火箭主要经历了几个阶段,第一个,神舟一号到神舟二号的时候,这是比较早期的,跟长二捆更加接近一些,是依靠最关键的核心器件叫平台,用它控制。后来为了让它更加可靠,在这个基础上又增加了很多可靠性措施。因为我们火箭,可靠性对于我们搞工程的人来说是非常重要的事情,这个绝对不能失败,失败大家很难接受。从神舟三号到神舟七号是另外一个状态,都打的特别好。对于航天工程我们叫921载人航天工程二期,但是一期是到神六,我们火箭是没有变的,到天宫一号到神舟八号我们叫改进性长征二号F。
    主持人姫少亭:怎么个改进法?
    吕新广:说是改进,对于我们控制系统来说是一枚新的火箭,非常大的改动,包括里面各种控制设备都变了,控制方式、控制方法。
    主持人姫少亭:能具体讲讲吗,设备上有哪些变化,控制方法有什么不一样?
    吕新广:举个例子,提高可靠性,我们原来是平台,平台到神三和神七是加了一台惯组,现在加了两个惯组,可以坏这里面任何两个器件。实际上用航天设备的可靠性来说,每一个设备坏一个器件的概率是非常小的,我们提的指标是99.99%,甚至更高,就是说一万次里可以坏一次,我们允许它坏两个还可以正常工作,这个可靠性基本上就是为了保证万无一失。我们箭上计算机,就是火箭控制大脑,现在改成三套独立的工作,独立的算,最后三取二,任何一个坏了我都没有问题。现在整个火箭任何一个地方一度故障都是没有问题的。
    主持人姫少亭:在国际上也采取这样的做法吗?
吕新广:对,很多国际上也通过这种方式提高可靠性,提高可靠性的方法有很多,譬如元器件等级提高了,如果提高了可靠性很高,一般不会出问题,但是价格很快就上去了,那个价格不是说用几个低等级器件的价格。另外,我们控制方法也改了,像制导方法,我对这一块是最熟悉的,为了打交会对接的火箭,原来打飞船只有一个,没关系,打上去慢慢调,打到什么轨道在这个轨道上继续飞。现在交会对接不一样,我打上去要很精确的进入同一个轨道面,如果轨道面不同,需要消耗很多的能量改变轨道面。因为飞船的重量非常重要,里面每一个器件都是精打细算,多节省一些燃料是非常重要的,他没有容量变化这个轨道,所以在这种情况下我们轨道的精度提高了很多。我打的很准,你不需要用太多的能量纠正,所以制导方法改了。
    主持人姫少亭:制导方法可以节省能源,也是非常关键的一点,能源上太空本身也需要消耗自己的能量,采能把这个送到太空上。
    吕新广:对于人来讲,能源和燃料是一样的,我把一百公斤做成燃料,或者我把一百公斤换掉可以多上一个人。

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