天地駕飛舟 太空快遞忙(科技名家筆談)
——天舟貨運飛船系統總指揮談研制歷程
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跨界出發
領銜研制天舟
2017年11月的一天,我接到工作調動電話,讓我回中國航天科技集團五院(以下簡稱“航天五院”),任中國空間站貨運飛船系統總指揮。對此,我非常興奮、非常激動。作為30年來一直與衛星打交道的航天人,我有機會領銜大航天器研制,並且參與中國空間站建設這樣重大航天工程,倍感榮耀。
我很快完成工作交接,開始全面負責貨運飛船系統的工作。從衛星領域轉到研制貨運飛船這樣的大型航天器,於我而言,還是第一次,萬事開頭難,唯有認真學習、全面了解,尤其是夯實基礎。
怎樣才能夯實呢?在我看來,就是要把貨運飛船所有基礎方面都掌握,特別是把相關參考材料,從“薄”讀到“厚”,之后再從“厚”讀到“薄”。總指揮肩負很多行政和管理方面的工作,但是我不想、也不能做一個“行政化”的總指揮,而是在深諳航天技術和業務工作的基礎上,與團隊一起討論解決遇到的各種難題,應對各種類型的挑戰。
從零起步
造就天舟一號
說到中國的貨運飛船,當然要談天舟一號。我當年雖然沒有親身參與天舟一號的研制工作,但對研制的過程還是比較了解的。2011年初,中國貨運飛船進入方案研制階段,之后經征名被確定命名為“天舟”,該艘飛船被確定為“天舟一號”。作為中國航天的嶄新型號,所有研制工作都從零開始。研制團隊所有人員全身心投入其中,特別是一批二十八九歲的青年航天科技人員從此與“天舟”結緣,伴隨它成長。
經過6年苦功實干,研制團隊把天舟一號貨運飛船在方案裡畫了出來,在廠房中造了出來,在火箭上豎了起來。
在初樣階段,研制團隊並行完成全密封、半開放兩種構型貨船的詳細設計方案,為未來的貨運飛船的型譜化“定型”。成功完成貨船初樣力學、熱學、電磁兼容性、大系統聯試等大型試驗后,研制團隊開始緊張地雙線作戰,一部分設計師奔赴海南文昌基地開展全密封構型船合練工作﹔另一部分則留在北京,繼續深入開展半開放構型船研制試驗。
值得一提的是,在飛船研制從一個階段轉入下一個階段之前,研制團隊通常進行一次“閉關修煉”,主要任務是系統總結驗証、檢查產品狀態、開展任務准備,仔細檢查試驗項目的海量數據,認真推演飛行任務中關鍵事件、指令、飛控預案……通過“閉關修煉”,研制工作更加扎實。
2017年4月20日,天舟一號在文昌航天發射場發射升空,之后與中國首個真正意義上的空間實驗室天宮二號成功交會對接,完成在軌推進劑補加、天基測控等一系列任務,為后續的載人航天器提供了先期充分的技術驗証。載人航天工程第二步戰略目標任務由此勝利完成,中國空間站時代順利開啟。
戰疫前行
書寫天舟輝煌
雖然有了之前的經驗,天舟二號的研制依然歷經各種艱辛,面臨一系列挑戰,其中不僅有技術領域的攻堅克難、精益求精,而且還有世紀疫情的嚴峻考驗。
突如其來的疫情給天舟二號進行力熱試驗帶來了巨大困難,為了確保試驗進度,我們在上海的總裝隊伍逆勢北上,在36小時完成1600公裡長途奔波。為了開展天地測控對接試驗,我們的相關團隊連續轉戰喀什、北京、青島、渭南等地,歷經1個月,終於完成試驗。
中國空間站由天和核心艙、“問天”和“夢天”兩個實驗艙,以及天舟貨運飛船、神舟飛船組成。為了驗証這樣復雜龐大系統設計的正確性,我們必須安排在天津航天城組織五艙聯試。而完成聯試任務,就必須把分散在各地的設計師等科研人員和航天員匯聚到那裡。我們想方設法、全力以赴,終於克服了多地多次疫情帶來的人員流動難題,使大家完成集結。而后,我們嚴格落實封閉管理制度,所有參與人員保持駐地和試驗場地兩點一線的行動軌跡,實施總裝和測控“兩班倒”,連續奮戰。就這樣,五艙聯試工作持續了100多天。
在聯試期間,我們一共設計了上千條測試項目,每艘船要測試1000小時到2000個小時,各分系統團隊都紛紛參與其中,特別是電總體團隊,該團隊成員幾乎每天都在現場,參與飛船的整個測試過程並隨時准備處理各種問題。
世上本沒有奇跡,隻有全力以赴的努力,我們所做的一切都是為了確保萬無一失。地面上的任何一個疑點都可能成為飛船上天后在軌的問題。我們確保所有數據結果都符合預期,消除所有疑點,才放心護送天舟二號出征太空。
或許是好事多磨吧,2021年5月20日和21日,天舟二號在文昌航天發射場經歷了兩次發射推遲。每一次都讓我像坐過山車一樣,內心跌宕起伏。5月29日20時55分,搭載天舟二號貨運飛船的長征七號遙三運載火箭准時點火發射,沖天而起,直上九霄。約604秒后,飛船與火箭成功分離,精確進入預定軌道,發射取得圓滿成功。天舟二號作為中國空間站關鍵技術驗証階段發射的首艘貨運飛船,該次飛行任務是中國空間站貨物運輸系統的第一次應用性飛行。在接下來的每一分每一秒,我們都緊盯著屏幕上跳動的數字,跟蹤著它的軌跡。天舟二號就像一個聽話的孩子,歷經8小時,按照既定程序,精准完成了遠距離追擊,近距離尋的、接近、對接,最終把重達6.8噸的物資通過“萬裡穿針”的方式帶到了天宮空間站。
2022年3月31日,天舟二號實施受控離軌,再入大氣層,精彩謝幕。回顧夜以繼日加緊研制天舟二號的歲月,回顧密切關注著它在軌運行的日子,我們感謝與其的特殊緣分,它給了我們所有團隊成員深度參與中國空間站建設任務的機會,讓我們深感驕傲和自豪。
“軟硬”兼施
打造“數字天舟”
隨著現代信息科技的進步,模擬仿真設計工具、仿真分析軟件有了長足發展,再加上日益增強的計算能力等,貨運飛船研制獲得更強有力的支撐。同時,我們團隊決心充分利用這些新的技術和工具,在虛擬世界造一艘“數字天舟”。
在一個統一搭建起來的數字平台上,我們團隊的多名設計師,按照通用規則,按照各自的權限,對自己所負責的部分進行設計,數字化設計文件下廠,交由數控機械加工,全程沒有紙質圖紙文件,不用人工審簽。通過數字流程,“數字天舟”的數據被傳輸到制造設備上,設計師就可以制造出真實的各種結構、部件、管路……
在傳統模式的構型布局設計中,我們通常需要在二維圖紙中進行設備布局、調整、送審,而採用全三維數字化設計后,我們可以在一個設計平台上,快速設計、快速仿真、快速迭代。而通過數字化設計文件下廠,數控機械加工,全程“無紙化”工作,不僅提高了設計效率和設計質量、縮短了設計周期,而且降低了設計成本。
我們研制的貨運飛船有100多個軟件,擁有很強的數據處理能力、自主管理能力和系統在軌重構能力。不僅如此,地面工程師還可以通過天地測控鏈路通道,遠程修改或重構軟件,賦予軟件更多功能。
在貨運飛船的測試和總裝環節,我們深切感受到數字化帶來的便利。比如,我們採用自動化系統開展測試,實現測試用例自動生成,執行過程中不需要人員介入,就可以實現“一鍵式”測試。此外,我們還採用了全數字化總裝研制的型號,開發了以三維數字化結構化工藝設計系統、結構化照相系統等為代表的數字化協同平台,大幅提高了工作效率。
在貨物管理方面,我們建立了地面到雲端的全任務周期物資數字化管理系統,實現貨物自動信息錄入、物資取放動態的信息管理、貨物的布局和配平、質量特性計算等。同時,該系統還採用了虛擬現實技術,為航天員提供可視化的作業指導書。
創新無涯
未來值得期待
“成功是差一點點失敗,失敗是差一點點成功”,這是航天領域流傳甚廣的一句話。衛星與返回技術專家、中國科學院院士王希季也曾深刻指出:“搞工程必須堅持零缺陷,如果有缺陷,那工程就是零。”這“一點點”和“零缺陷”的背后,有無懼挑戰的精神,有精益求精、追求完美和極致的精神,有多維度保障、通力協作攻克難關的精神。
我們在兩年之內成功發射了4艘貨運飛船,這在以前是不能想象的。成功做到這一點,我們靠的是不斷推進技術體系創新、大力優化研制流程﹔從更深層次上說,靠的是“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神。
現在,貨運飛船的設計階段已經結束了,天舟二號、天舟三號、天舟四號等貨運飛船為組批投產,狀態相對穩定,能夠最大程度保証載人航天工程的速度與質量。
設計階段結束了,但不意味著設計就凝滯了,相反,我們將繼續在貨運飛船的設計上不斷推進技術創新,以實現更快的運輸速度、更大的載重能力、更高的運輸效能、更多的先期技術驗証,增加返回的能力,以便及時傳回太空的科研成果。這將為中國空間站運營提供更好的服務和保障。
宇宙空間星漢燦爛、了無際涯,人類對太空的每一次叩問,都是新一次空間探索的開始。“天舟”將助力中國航天駛向更輝煌的未來,為人類探索太空作出更卓越的貢獻。
(本文作者為中國空間站貨運飛船系統總指揮,由鄧雨楠根據作者口述整理)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
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