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长征七号的“天路”是怎样被规划出来的?

佚名 科学 2020年10月26日

长征七号的“天路”是怎样被规划出来的?

人物简介




郑莉莉,女,出生于1982年6月,2011年毕业于西北工业大学飞行器设计专业,工学博士,同年入职总体设计部,从事轨道设计工作。曾获院科技进步二等奖2项,三等奖1项。院技术改进奖与阶段成果奖等总计10余项。获院质量先进个人、部突出贡献党员、部突出贡献技术人员等称号。工作期间发表科技论文10余篇。




“……5,4,3,2,1,点火!”2016年6月25日晚上8时,我国海南文昌航天发射场第一次传出震耳欲聋的轰鸣声。




伴随着耀眼的火焰,由航天一院抓总研制的我国新一代中型运载火箭长征七号划破夜幕,奔向太空,拉开了我国载人航天工程空间实验室任务的大幕。






经过603秒飞行,长征七号火箭将载荷组合体送入既定轨道。随后,载荷组合体上的远征一号甲上面级也开始了首次旅程。




“远征报告,级箭分离正常”,“远征报告,上面级第一次点火开始”……




与此同时,千里之外的北京航天飞行控制中心指控大厅里,负责远征岗的航天一院总体设计部轨道设计师郑莉莉,正通过天基、地基不同的遥测数据判别上面级的飞行状态,并向大厅各岗报告调度口令。




她是掌控上面级飞行轨道全局的人,也是飞控大厅里最忙的人之一。




早在发射前,她就在飞控大厅里“扎了根”——参加上面级各次正常、故障的演练,确认每个飞行环节,把整个飞行过程按照时序分别给各专业统一分工,把调度口令练习了不知多少遍。




相比于一次将多颗卫星送入一个相同轨道的上面级,远征一号甲可谓是“升级版太空摆渡车”。它此次的任务是在数天时间里通过9次变轨,分批将6个“乘客”(载荷)送到多个不同轨道上。




如何以最快的速度让“乘客”安全、准确地到达各自的目的地?这条“天路”的规划者就是郑莉莉。




郑莉莉规划的“天路”




“太空里不是只有我们的飞行器,我们要通过轨道设计,保证在‘太空摆渡车’的轨道上没有其他飞行器‘占道行驶’。”她解释道。为此,郑莉莉和同事们进行了3个月的轨道分析。




这是一条我国航天史上最为复杂的飞行器运输轨道。




轨道设计的一大难点就是上面级要带着多用途飞船缩比返回舱点火离开太空,再将它送到大气层中国内指定落区上方。这相当于在浩瀚的太空中选择一个精确的点,相比于之前把卫星只是送入某条轨道来说,难度系数无疑大大增加。




而远征一号甲上面级的每一次变轨过程,更是惊心动魄的。其中最惊险的一幕,就在投放返回舱时上演。




“它会先从400公里的高度降到170公里,返回舱分离后,组合体会由于惯性再入降到130公里轨道,然后再次点火重新回到400公里轨道。”长征七号运载火箭首飞载荷组合体行政负责人唐亚刚介绍道。




上面级上述整个类似“蹦极”的飞行过程,涉及空中飞行时间、速度和地球自转的关系等众多参数,这样的轨道设计在国际上也是屈指可数的。




其实,郑莉莉和她的团队完全可以选择一条更容易走的路——让上面级随返回舱回到落区,任务便顺利完成。




可是,这个全新的上面级还有很多新技术需要进一步验证。到底是选择保守地把这部分工作留给后续任务去完成,还是在此次任务中便尝试延长运行轨迹,全力以赴挑战“蹦极”?






越是难走的路越要去闯一闯,一直是中国航天人的特质。轨道设计负责人郑莉莉同样毫不犹豫地选择了后者,主动向上级申请延长轨迹。




时任上面级技术负责人王国辉听了郑莉莉的方案汇报,虽然肯定了其工作,但对于如此复杂的任务,要由郑莉莉这样的“80后”来负责,心中仍不免担忧。




毕竟,如此大胆的规划将带来一些新问题。尤其是上面级在与返回舱分离后再入大气层,经过快速一次点火再次抬升高度回到轨道上,如此设计可行吗?




内心忐忑的郑莉莉决定请业界权威为其指点迷津,于是壮着胆子敲响了我国著名弹道专家余梦伦院士办公室的门。




得知郑莉莉的来意,余梦伦热情地请她详细介绍了自己的想法。郑莉莉把所有载荷要求、设计理念、轨道飞行方案以及关于如何快速抬升轨道高度的飞行姿态等内容,一股脑儿地都讲给余院士听。




听罢,余梦伦认为方案可行,但由于如此复杂的任务他也是第一次遇到,所以想帮郑莉莉把数据都核算一遍再下结论。




一周之后,郑莉莉收到了余梦伦的电话反馈。“我已经估算过了,你的设计方案可以满足各搭载载荷要求,位置、速度计算得非常准确。”余梦伦说。




“我的设计方案得到余院士的肯定啦!”挂了电话,郑莉莉激动得差点流泪,对任务的信心和底气更足了。




除了负责上面级轨道设计工作外,郑莉莉还承担着飞控实施方案和故障预案设计、各载荷接口、测控需求协调等工作。烦琐的日常工作和复杂的发射任务相叠加,郑莉莉肩上的重担可想而知。






不仅如此,只要碰到与轨道相关的事情,郑莉莉也总是忍不住要揽成自己的“分内事”。




长七火箭首飞进入倒计时,“扎根”飞控大厅后,郑莉莉便开始协调数据接口等问题。有一天,她正在手动输入上面级的接口数据,突然发现兄弟单位系统里的某个参数异常。由于长时间和这些数据打交道,很多数据都烂熟于心,郑莉莉断定,眼前的这个参数一定是有问题的。




于是,郑莉莉决定为兄弟单位核对数据,尽管她知道,这一数据的计算量将是庞大的。“不管是不是我们的分内之事,只要和轨道有关,我就不能让它有问题。”她说。




计算结果表明,郑莉莉的怀疑没有错——兄弟单位在前期工作中将一组数据输入反了,造成参数异常。而如果这一问题没有被发现,后续上面级工作的很多数据都将成为空白。




及时解除了发射前的种种“险情”,郑莉莉内心紧绷的弦依然不曾松弛。




长七火箭发射后,上面级经过三次点火,成功分离返回舱,使之顺利着陆,地面人员为之欢腾。




“发动机开机,上面级第四次点火轨道控制开始!”为开展后续拓展试验,上面级按预设程序开始点火,向安全运行轨道进发。




郑莉莉和同事们的心也随之揪了起来。因为,在前三次点火中,上面级的推力都有所下降,最低值甚至低于额定值的10%。“这很有可能会影响第四次点火拉起到的轨道高度。”郑莉莉不无担心地说。




飞控大厅里鸦雀无声,所有人都盯着屏幕上的数据屏气凝神,但好在这种情况早在设计团队的预料之中。建立在前期充分设计的基础上,上面级第四次点火的推力虽然变小,却仍在额定值附近。只是,要顺利拉起,点火的时间需要更久一些。




一点,一点……上面级终于抬升到预定轨道高度,郑莉莉一颗饱受煎熬的心也终于落了地。




上面级在太空飞行44小时的过程中,郑莉莉的睡眠时间不足3小时。哪怕上面级在长滑行段没有大动作时,她也要监控其飞行姿态,同时关注测量系统的工作。






实在累了,她就靠在椅子上稍微眯一会儿。“其实不可能睡着,心里装的全是事儿。”




“如果测量出现问题,将意味着所有飞行状态都无法监测,在故障状态的功放单元切换功能,也需要我们远征岗紧急报告才能及时实施,所以每时每刻都不能离岗。”郑莉莉把自身职责看得比什么都重。




“远征报告,上面级第9次轨控正常”……郑莉莉响亮与坚定的调度口令一次次在飞控大厅响起,掌控着上面级飞行的每一步飞行姿态。




这一切都被现场的媒体记录了下来。后来,郑莉莉的“远征报告”在不同媒体上播出。王国辉跟郑莉莉开玩笑:“你的声音可是被载入史册了呢!”在领导赞许的目光中,这个出色完成重任的年轻姑娘终于开心地笑了。




几天时间里,远征一号甲上面级按照郑莉莉和同事们预先设计的轨道出色飞行,没有任何偏离,也未发生任何差错。但是为了这个一百分的成绩,他们之前为上面级准备了十几套关乎任务成败的预案,涉及分离、点火、离轨等方方面面。




“结果都没用上,连测量不同工况切换这种最容易出问题的地方,都没有出现任何问题。”这让郑莉莉感到惊喜,也是头一次在语气中透露出自豪——因为他们为祖国未来开展更高难度的航天活动,在太空蓝图上新描绘出了完美弧线。




【本文来源于人民出版社出版的《新时代追梦火箭人》】



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