火箭“中樞神經”的轉型
——改進型長二Ｆ火箭副總設計師宋徵宇談火箭控制系統新變化 

    新華社北京１０月３日電(新華社記者王敏)與三年前護送神舟七號載人飛船上天的長二Ｆ火箭相比，發射“天宮一號”的改進型長二Ｆ火箭由於不需要載人，取消了控制系統中關機裝置和逃逸塔分離系統。

    乍一看似乎難度降低了，然而，要圓滿完成空間交會對接任務，必須要確保目標飛行器和飛船的入軌精度非常高。這對火箭的控制系統提出了更高的要求。

    如何才能完美托舉天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船精確入軌，改進型長二Ｆ火箭的控制系統發生了什麼變化？記者為此採訪了中國航天科技集團公司第一研究院火箭系統副總設計師宋徵宇。

    給火箭置換了一個全新“大腦”

    “任何一發火箭在點火升空之後之所以能夠按照預定軌跡飛行，並且最終能夠精確地將目標送入預定軌道，主要是靠火箭的控制系統來完成整個過程。因此，如果將發動機比喻為火箭的‘心臟’，那控制系統則起著類似人體‘神經中樞’的作用。”宋徵宇道出了火箭控制系統的重要性。

    據宋徵宇介紹，此發改進型長二Ｆ火箭的控制系統是個全新的系統，從使用的方案、原理、具體設備、軟硬體等方面都與發射“神七”的“長二Ｆ”發生了很大變化。

    “相當於給火箭置換了一個全新的‘神經系統’。”宋徵宇比喻道。

    在控制系統所發生的這些變化中，制導方式首次由原來的攝動制導改為迭代制導無疑是其中的亮點。

    據宋徵宇介紹，攝動制導（Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）主要指火箭按照標準彈道飛行。而迭代制導（Ｉｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）則是隨著現代計算機技術和最優控制理論發展而出現的一種自適應制導技術，是根據火箭當前的速度、位置以及預估的入軌點，不斷調整自己的飛行軌跡。

    “打個比方説，家住五環路，工作單位在三環路。攝動制導給你規定好了具體路徑，而迭代制導只是告訴你目的地，並不限制具體路徑。”火箭總設計師荊木春曾這樣比喻。

    入軌精度提高一個量級

    從２０世紀６０年代末開始，迭代制導在運載火箭上得到了應用，美國的土星－Ｖ火箭、航天飛機，歐空局的阿裏安火箭，俄羅斯的能源號火箭都採用了迭代制導技術。它的主要特點是制導精度高、任務適應性強、箭上制導裝置簡單、對地面準備要求相對較低。

    我國載人航天工程的交會對接任務對運載火箭入軌精度、對軌道調整的適應性、可靠性等多個方面提出了很高的要求，採用迭代制導是一種較為合適的選擇。國內對迭代制導方法研究已經開展多年，但將理論轉化為工程實踐是工程設計人員必須解決的重點課題。

    宋徵宇表示，由於載人航天工程二期要進行交會對接任務，對天宮一號目標飛行器來説，入軌精度並沒有很高，但對神舟八號飛船來講，由於要對接就要求其精確入軌，以便能順利和“天宮一號”在太空勝利會師。這樣，即便再提高慣性器件的精度，原有的制導方法也難以滿足入軌精度要求，只能採用更為先進的迭代制導技術了。

    “採用迭代制導以後，火箭不僅入軌精度提高了一個量級，而且在飛行過程中對外界干擾的適應能力增強了。高的入軌精度可以調整飛船自身調整軌道的工作，從而節省了燃料、提升了運載能力，可以搭載更多的有效載荷來進行相關的科學實驗，延長使用壽命。”宋徵宇表示。

    從理論轉化為工程應用

    確定了制導方案，還要有相應配套的制導工具。改進型長二Ｆ火箭用兩個慣性測量組合來代替氣浮陀螺平臺。這樣一來，火箭不僅增加了幾十公斤的運載能力，更為重要的是慣組適應火箭在俯仰偏航方向上的機動。而此前在採用平臺的情況下，只能在俯仰方向上進行程序飛行，在偏航方向受到了很大限制。

    然而，迭代制導縱有千般好，但將迭代制導真正運用到控制系統中卻並非易事。

    “雖然迭代制導理論是成熟的，但從理論轉化為工程應用的過程卻十分複雜。我們要確保選取的參數涵蓋火箭在飛行過程中可能出現的各種情況，保證算法收斂；當發生意外情況時，還要確保火箭的安全性。”宋徵宇講述了採取迭代制導技術的難點。

    據介紹，為了能夠驗證算法，火箭研製團隊採取了大量的質量保證措施，包括六自由度多系統聯合倣真和上萬條彈道的模擬打靶等試驗，並請很多同行專家進行獨立複合復算，對方程、模型、計算結果進行深入檢驗，確保控制算法的正確性。