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无限风光在深空

——记我校深空探测基础研究中心

作者:刘培香

  2003年11月24日至27日,“第五届中国国际空间技术及遥感、地理信息系统和全球定位系统展览会”在京举行。我校展台前,人来人往,络绎不绝。国防科工委领导、航天科工集团领导、航天员杨利伟先后来到台前参观;中央电视台、北京电视台、八一电影制片厂、中国日报等媒体陆续进行采访报道;外国友人、大学生、小朋友等纷纷驻足,对我校深空探测方面的研究成果“一探三”的小行星探测方案、“远征”一号深空探测器模型、月球探测车样车等表示好奇、惊叹和关注。

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深空探测器模型与月球漫游原理样车

  那么究竟什么是深空探测?我校在深空探测领域的研究处于何种状况?日前,记者采访了刚从北京归来的校深空探测基础研究中心主任崔平远教授。

四个“第一”:积跬步致千里

  “界定‘深空’的主要分歧在于是否包括月球在内。按照我国2000年11月发表的《中国的航天》白皮书中所指出的,我国将在今后10年或稍后的一个时期‘开展以月球探测为主的深空探测的预先研究’,我们对深空探测的界定是针对月球和比月球更远的行星(包括小行星和彗星)的探测。月球探测和火星探测将是最近一个时期深空探测的热点。由于大行星形状较规则、引力场强,所以相对容易对其进行探测,而小行星因形状不规则、且引力场弱,对探测器绕飞与着陆的导航和控制方面的技术要求较高。所以进行小行星探测是目前深空探测领域的一个难点,如果掌握了这一技术,那么其他行星的探测就会相对容易解决了。”
  在国家航天局栾恩杰局长的亲自指导下,崔平远教授带领的课题组早在1999年就申请了民用航天预研课题--《远程空间非合作性飞行体的会合与附着问题研究》,并于2000年3月获得批复。2000年5月17日,中国第一个对深空探测技术进行系统研究的科研机构--哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心正式成立,标志着我校开始系统地进入深空探测这个新兴的航天高科技领域。
  中心成立以后,在国防科工委、航天科技集团和中国宇航学会的大力支持下,迅速以4个“第一”奠定了我校在深空探测领域的地位:
  主办了中国航天领域第一也是目前惟一一本关于深空探测的专业性杂志--《深空探测研究》;
  申请成立了中国宇航学会深空探测技术专业委员会,并将于2004年初召开成立大会;
  获得了深空探测领域的第一项国防科学技术奖(《远程空间非合作性飞行体的会合与附着问题研究》);
  得到了首批深空探测对俄引进的国家资助项目。
  除了这4个“第一”,中心还多次在深空探测领域的研讨会上树立了声誉和威望。
  2001年,国内深空探测领域的专家们齐聚哈工大进行了该领域的第一次国内研讨;
  2002年,由国家航天局和中国宇航学会主办,哈工大、中国宇航学会等单位联合承办的“深空探测技术与应用科学国际研讨会”在青岛召开;
  2003年,中心成员随国防科工委考察团前往澳大利亚和日本考察洽谈了深空探测合作项目,并参加了在日本召开的第十届环太平洋地区国际空间会议;
  2004年,中心计划以深空探测技术专业委员会的名义在中国再次举办深空探测学术会议;
  2005年,中心将以深空探测技术专业委员会的名义承办国际月球会议……
  目前,中心正在努力建设成为国内深空探测的科学研究基地和人才培养基地。国家航天局局长栾恩杰校友已经开始在我校深空探测基础研究中心招收飞行器设计学科方向的博士生,主要研究小天体探测轨道设计与优化、深空探测器自主导航与控制和深空探测非合作目标的交会与附着技术等。

行星探测:小荷才露尖尖角

  在获得国防科学技术二等奖的项目--“远程空间非合作性飞行体的会合与附着问题研究”中,崔平远教授带领的课题组在自主管理系统结构与软件设计、目标选择与轨道设计、轨道动力学与控制和自主导航与制导4个研究方向取得了突破性进展,初步完成了“深空探测系统设计、分析与仿真软件平台”,达到了国际先进水平。
  此外,深空探测基础研究中心还先后承担了民用航天预研项目“远程空间探测会合与附着技术及仿真演示系统”、863重点项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”和“深空探测标准化框架体系研究”等有关深空探测的总体技术和关键技术研究,为今后重点开展远程空间探测的关键技术及其应用研究奠定了重要基础。中心已经完成的“‘远征’一号深空探测器系统初步设计”和“深空探测系统设计、分析与仿真软件”,可为我国开展相关的深空探测活动提供技术支持。
  “远征”一号深空探测器,构型、结构及布局是借鉴现代小型航天器平台概念,采用分舱段与模块化思想设计的。将有效载荷和服务系统分成不同的舱段,按功能分成推进舱、服务舱、有效载荷平台以及天线舱和太阳帆板等舱段进行布局设计。
  Ivar(爱华)小行星探测方案则是中国第一个“一探三”深空任务构想,发射“远征”一号探测器飞越小行星Carret(凯瑞特)和 Delsemme(德尔塞默),最终在小行星Ivar表面软着陆。Ivar小行星探测方案最近的发射机会是2006年9月8日,“远征”一号探测器于2007年7月19日飞越小行星Carret,执行一次深空机动后于2008年7月31日返回地球,借地球引力甩摆后于2009年5月28日飞越小行星Delsemme,再次执行深空机动,于2010年4月4日进入Ivar小行星环绕轨道,并自主在Ivar小行星表面软着陆。
  深空探测系统设计、分析与仿真软件,是集深空探测轨道设计与优化、深空探测器自主管理系统、自主导航与自主控制系统设计、分析与仿真于一体的专用软件,包括以下四个模块:深空探测器自主管理软件模块,深空探测器自主导航软件模块,深空探测轨道设计与优化软件模块,深空探测器自主控制软件模块。
  深空探测系统仿真与演示平台包括四个子系统,其中深空环境与数字目标天体库提供深空仿真环境,包括深空环境数学模型,数字化行星、小行星和彗星,可独立进行多媒体演示,生成形象、可视的虚拟太空景象;自主视觉导航系统和姿态控制系统是两个独立半实物仿真系统,可单独进行仿真及应用软件的测试;自主管理系统包括自主任务规划、自主执行和模式识别与重构三个模块,是一个能自主完成预定科学任务的智能软件体系。仿真与演示平台以自主管理系统为核心,协调自主视觉导航系统和姿态控制系统工作,并在深空环境与数字目标天体库提供的环境下进行探测器由发射到与目标交会、绕飞、直至着陆的全过程仿真演示。

国际合作:欲穷千里目

  “我们不仅仅是在做项目,更是在做事业,并希望这项事业越做越大。”谈起下一步深空探测基础研究中心的工作设想,崔平远教授说:“希望能够把中心建成国际合作的窗口,以此推动我国、我校在深空探测领域的国际合作,加速深空探测技术的发展。”
  崔平远教授介绍说,目前我国的深空探测技术还远远落后于国外,但同时深空探测又是一个可以服务于全人类的科学领域,具有很好的国际合作契机。目前中心正在积极拓展对外合作,如引进日本的月球着陆技术、德国宇航中心的机械手技术、俄罗斯的深空探测器总体设计与月球车技术等,并多次赴俄、德、日考察,邀请俄罗斯、日本以及德国的专家来校讲学,并为不同的国家和合作项目配备了专职对外合作人员。中心还在北京设立了办事处,以方便国内外交流与合作。
  “目前我们的实验室还非常简陋,许多人看了都不敢相信我们的研究成果就是在这样的条件下做出来的。但是,一座现代化的深空探测实验楼将于2004年在科学园建成,那时我们对外交流将会有非常好的条件。”展望中心的未来发展,崔平远教授充满信心。
  “开发太空是人类21世纪的热点课题,我国下一步也将开展深空探测。任何一所有追求的理工科大学如果不搞宇航科学就很难跻身一流。”原校长杨士勤说。“深空探测一定要搞。”黄文虎院士也曾这样说。如今,载人航天工程如火如荼展开的同时,深空探测也已悄然成为我校科研的又一重头戏。伴随中国政府逐渐以开放的姿态进一步投身于空间领域的国际合作,通过深空探测基础研究中心的努力,哈工大也将在深空探测领域开创一片新的天地,打造无限风光。