北京控制工程研究所胡海霞:建造中国的空间站,交会对接很关键 | 智研所

原标题:北京控制工程研究所胡海霞:建造中国的空间站,交会对接很关键 | 智研所

编 | 搜狐科技 宋婉心

“智研所”直播系列第6期——航天进入智能控制新纪元

主办:中国科普研究所科学媒介中心

协办:搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所

要点提炼:

“载人航天、深空探测、在轨服务是关键技术,交会对接尤其是载人航天活动的三大基本技术之一。”

“关键技术的突破使我国成为了世界上第三个独立掌握交会对接和快速交会对接的国家。”

“中国的载人航天工程分为三步走,目前顺利完成了第一步,第二步,突破了交会对接,航天员出舱的一系列技术,接下来就是面对空间站建设的阶段,在2020年前后我们要开始建设我们国家自己的载人空间站。”

近年,中国通过“天宫”实验室和“神舟”号载人飞船、“天舟”号货运飞船相继验证了航天器在轨自动、手动和快速自主交会对接技术;通过“嫦娥三号”和“嫦娥四号”验证了地外天体软着陆技术和月面自主巡视技术;通过“北斗”导航系统的建设,验证了我们的高精度姿态与轨道控制技术和卫星的自主导航技术。

2019年中国更是实现了人类首次月球背面的软着陆和巡视探测。系列技术突破的背后无不显示着空间控制技术正在朝着越来越智能的方向发展。

诚然,在人工智能进入了彭勃发展的新时期,作为一个典型领域,空间智能控制技术也必将成为建设航天强国的技术支撑。

本期智研所直播邀请到北京控制工程研究所专家胡海霞带来主题演讲《航天器的太空握手》。

以下是胡海霞演讲精编:

今天我给大家分享的是空间交会对接控制技术,分享的内容主要包括这五个部分,首先我们从两段电影片断看起。

不知道大家有没有看过这两个科幻大片,一部叫《火星救援》,一部叫《星际穿越》,遇到危机的时刻都有航天员操控着一个航天器,实现与另外一个航天器紧急情况下的对接。大家看电影的时候不知道有没有想过,高难度的动作在我们现实版的航天工作中是不是真实的存在呢?今天我告诉大家,其实在航天领域这个技术叫做交会对接控制技术,今天来给大家做一些分享。

交会对接通俗来讲就是两个航天器在太空中飞行,前面一个航天器在跑,后面一个航天器在追,追快了会撞到。像电影里,要以非常精准的速度对接,追慢了就追不上,这就是一个科学的问题。这是当今世界航天领域十分复杂和难度相当大的技术,载人航天、深空探测、在轨服务是关键技术,交会对接尤其是载人航天活动的三大基本技术之一,另外两个技术,分别是航天员的出舱行走和返回,是三大基本技术之一。

从专业的术语定义上来讲,空间交会对接是指两个航天器在结构上构成一个整体的技术,是实现空间站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的回收、维护等在轨服务的先决条件,右侧这个视频是当年的天宫一号和神舟九号对接的过程,这也是我们的航天员不负重望,顺利地完成了神舟九号和天宫一号的顺利对接,取得了相当不错的成绩。

2014年,我们在《中国科学》杂志上发表过两篇文章,分别介绍了神舟飞船人工控制系统和自动控制系统的相关设计,感兴趣的朋友可以具体翻阅。从大的控制方法上来讲,可以分为两大类,一个是自动控制,一个是人工控制,自动控制因为控制方法的不同,又分为两个层次,一个是简单的自动控制,另外一个比较高级一点的控制就是自主控制,就是我们现在追逐的目标,不依赖航天员和地面站,由船载设备自主完成控制。

前苏联和俄罗斯多采用自动方式的对接,和自控方式对应的就是人工控制,人工控制又分为两种,一个是简单操作,地面通过遥控,这是比较少,另外一个比较多的就是航天员在轨道上通过摄像机对目标航天器进行观察和判断,直接进行控制,这种叫人工控制,我们国家交会对接系统同时具备这两种系统,咱们都是具备的。

简单介绍一下交会对接的阶段划分,交会对接经典一般分为这四个阶段,远距离导引段一般是通过地面站,通过遥测遥控实现把追踪器导引到目标飞行器后面50公里的位置,以后随着控制技术的发展逐步挪到天上自主控制。后三个阶段都是自主实施的,也就是都是自主控制的,其中靠拢段也可以航天员参与进行人工控制,这一段之外的航天员发布的命令是自动进行一个监视,其实并不能直接通过手柄来操作。

接下来给大家介绍一个概念,我们俗称控制系统,专业术语是制导导航和控制系统,就是GNC,堪称航天器的大脑中枢。比如说导航,大家用GPS导航用的比较多,其实就是确定自身位置。对于航天器导航来讲,我们要确定航天器自身的位置、速度和姿态等信息,对于交会对接还要确定当前追踪器相对目标器的位置和姿态,制导就是根据目标的位置和速度,还有我自身的位置和速度,以及我自身的能力,我要自主计算达到目标是一个什么样的路径规划;控制就是如何驱动我自身达到目标,这是制导导航和控制大概的概念。

空间交会对接控制技术的难点有这么典型几个,首先是复杂度比较高,我们一般的航天器的控制只涉及到一个航天器的位置和姿态控制,交会对接涉及到多个航天器,所以复杂度比较高。另外就是自主性要求强,我们现在已经实现了交会对接在天上基本上50公里到卫星这一段距离全部由天上自主来完成,所以自主性比较强。后续再发展,从入轨一直到对接自主来完成。另外控制要求比较精准,航天器的对接机构能够容忍的偏差非常小,所以对我们提出很高要求,另外就是安全性要求比较高,交会对接要实现正常的对接,一定要避免碰撞,尤其是载人航天要确保航天员的安全,所以安全要求也是比较高的。

我们国家的交会对接控制技术的研究,其实可以追溯到上个世纪80年代,还是比较早的,在杨嘉墀先生等老一代航天人的指导和带领下,在上世纪80年代就开始了相应预先的研究,一直到2002年转入了关键技术攻关和工程研制,差不多十年磨一剑,2011年我国神舟八号和天宫一号实现了自动对接,2012年又实现了神舟九号和天宫一号首次人控对接,2017年天宫二号和天舟一号在轨实现了快速交会对接的验证,这就是交会对接技术目前发展的脉络,这些关键技术的突破也使我国成为了世界上第三个独立掌握交会对接和快速交会对接的国家。

自主交会对接和人工交会对接GNC相关技术的突破,我们在轨多次对接精度国际领先,实现了我国航天控制技术重大跨越,成功的背后我们取得了一系列控制相关的专利,其实我们形成了一系列的控制技术的专利群。

以典型的核心专利为例,给大家介绍一下我们有一个专利叫基于特征模型的相平面自适应控制方法,这个专利在去年也获得我们国家的专利银奖,在我们神舟、天舟在轨飞行中得到了成功应用,意味着我们将黄金分割控制的设计思想解决了姿态控制问题,也丰富了自适应控制理论方法。

接下来讲一讲空间交会对接在空间站工程中的应用,大家都知道中国的载人航天工程分为三步走,目前顺利完成了第一步,第二步,突破了交会对接,航天员出舱的一系列技术,接下来就是面对空间站建设的阶段,在2020年前后我们要开始建设我们国家自己的载人空间站。

我们空间站的总体布局大概是这个样子,主要有三个舱位组成,一个核心舱,作用主要用于统一控制和管理空间站的组合体,也是提供给航天员生活和工作的场所。这两个舱分别是实验舱1和实验舱2,用于支持空间实验、空间应用,右下角这个图大家可以看一看,在核心舱的节点舱上,其实四个方向都有对接口,这个对接口怎么用的?就是为了未来不同的航天器对接用的,对接成功之后航天员可以进入到空间站核心舱,前面有神舟,后面有天舟,左侧右侧分别是两个实验舱,名字都非常好听,中间我们的核心舱是叫天和,未来几年我们的空间站建成之后大体上就是这么一个构型在太空中运行。

空间站工程中交会对接将发挥非常重要的作用,接下来说一说交会对接在探月工程中的应用,右侧这两张图不知道大家在网上有没有看过,是美国的阿波罗8号和17号在月球上回望地球拍的照片,神秘的月球吸引国人去探索,我们的探月工程是2003年正式立项,我们也是分为三个阶段,目前已经成功实现了“绕”和“落”,今年年初的时候大家都知道我们的嫦娥四号非常成功地着陆在月球背面,是人类首次。现在我们要面临的第三步就是回,光荣的任务就落到我们的嫦娥五号身上,要进行返回。

嫦娥五号大体能看到基本上长这个样子,由四个器组成,这四个器一起到达预定轨道之后,着陆器和上升器一起着陆到月面进行取样,之后上升器带着样品起飞和等待在月球轨道上的轨道器进行对接。最后只有返回器回到地球。

月球采样返回的过程中,大家可以看到交会对接也是发挥着非常重要的作用,没有交会对接的成功就不会有我们取样返回的成功。我们感到交会对接有一定的难度,与地球交会对接相比,月球交会对接测量手段相对单一,控制要求更高,让我们拭目以待。

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