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数风流人物还看今朝

——从“神舟”到“探月”
   

作者:刘培香

 “我们为了‘神舟’飞船的研制共同奋斗了多年,哈工大为‘神舟’号做出了自己的贡献,在我们就要取得胜利的时候,你们一定要来(分享成功的喜悦)!”在举世瞩目的“神五”发射前夕,哈工大领导受邀到酒泉卫星发射中心亲历飞船升空的历史时刻。
   是的,在中国航天大舞台上,哈工大一直默默奉献着。中国载人航天工程的成功,也是哈工大人的骄傲。     
   1961年4月12日,尤里·加加林飞入太空。随后,国际上一个个太空英雄纷纷问鼎长天,然而却没有中国人的身影。面对苏美的太空争霸,中国人有震惊也有喟叹!飞天的梦想最早源于中国,然而数千年后,我们却只能在美苏相继登月的壮举中为古老的“嫦娥奔月”神话留下一声叹息。今天,当我们终于把中国自己的航天员送上太空,如果毛泽东老人家泉下有知,当会再次高声吟诵“神女应无恙,当惊世界殊”了吧。     
   继1970年4月24日我国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红”一号之后,中国的载人飞船计划也在悄悄酝酿之中。虽然这个计划曾经一度成了尘封的记忆,但是无法尘封的是中华儿女的飞天梦。1986年3月,“863”高技术发展计划正式启动。航天技术是“863”计划的重要领域,“863”计划为中国的载人航天开辟了道路。哈工大也因此成为“863”计划的重要角色。1992年9月21日,载人航天工程正式立项,“921工程”让哈工大人也找到了新的奋斗航向。
   从第一颗人造卫星,到载人航天……浩瀚深邃的宇宙写下中华儿女生生不息的探索足迹,也写下哈工大执著不息的探索历程。
   在总装备部举行的我国首次载人航天飞行庆功会上,哈工大荣获了“协作贡献奖”,受到载人航天工程总指挥李继耐将军的点名表扬;在宇航学会的庆功大会上,原航天工业部的老部长等纷纷向哈工大致谢,胡世祥等校友热情地与母校代表合影留念……
   哈工大今天赢得的荣誉,缘于多年来立足航天、服务航天的历史,也缘于“神舟”号系列飞船研制的多项技术难题的攻破:KM6工程、返回舱焊接的变形矫形、三轴仿真实验转台、容错数管计算机、故障诊断系统等等。同时,宇航服智能测试系统、飞船交会对接技术、海上应急浮囊系统、航天员座椅支撑系统的超塑性制备等与载人航天相关的课题也由哈工大参与研制。除了载人飞船的研究,“试验卫星一号”小卫星的发射成功,探索了一种小卫星研制的新模式与新途径,为我国航天事业和小卫星事业的发展注入了新的活力;微小型航天器新概念、新机理研究等均为重要的航天项目,月球登陆车、深空探测器研究等也在紧锣密鼓的进行中。在今天国际航天技术正向应用卫星、载人航天、深空探测3个主要方向发展的时代,在这个广阔的空间里,哈工大的明天,应该如何描绘、如何打造?
   载人航天:映日荷花别样红
   KM6,为神舟签发“通行证”
   这个世界第三大的真空容器,是一个非常艰巨、困难的工程。当时很多人不相信哈工大这样的教学单位能做得了这种大型的工程项目。然而哈工大用自己的实力和坚韧不拔的精神,组成多学科的研制队伍,并选择全国一流的企业、一流的专家队伍和一流的施工队伍进行大协作,解决了超大法兰盘、超大封头的成形、焊接和大型构件现场精加工等多项技术难关,仅用3年的时间,以最好的质量和最快的速度圆满完成了这项国家重大科研项目——“KM6工程”,并获国家科技进步二等奖。当时施工所在地的唐家岭荒无人烟,刚刚开始建设的航天城还只是圆明园往北的两千亩稻田,哈工大的前方指挥部在那里的几个农村房里一住就是3年。施工现场条件艰苦,连厕所都没有,总工程师王仲仁教授被蚊子叮得满身是包;常务副总指挥王尔德教授忍着静脉炎的疼痛在现场指挥,一站就是一天;王若维高工3个春节都在北京度过……KM6的成功,使整个“神五”的成功发射有了坚实的保障。高22.4米、直径12米的KM6是北京唐家岭工地上建立起来的第一个庞然大物,也是航天城的第一个巨人。
   焊接:为返回舱“整容”
   众所周知,返回舱返回地面经过大气层时,会因摩擦而产生高温,所以必须在返回舱的金属压壳外加一层防热保护层。为此,金属壳体的焊接变形就必须控制在相当高的精度范围内。哈工大焊接老专家田锡唐教授提出采用“逐点挤压焊缝法”来控制变形,解决了这一技术难题,并特别向中国空间技术研究院推荐了焊接专家钟国柱教授和从事“逐点挤压矫形法”研究的郭海丁,他们共同设计并研制了多用途焊缝逐点挤压矫形机。在攻关过程中,钟国柱教授和郭海丁教授应用和发展了焊缝逐点挤压和风动锤击矫形法,在很短时间内就成功地把返回舱的尺寸和形状、精度控制到完全符合设计的使用要求,确保了我国“神舟”号飞船能够顺利地按计划执行发射任务。江泽民总书记到北京航天城观看“神舟”号试验返回舱时,对整容大师们给予了极大的鼓励。
   三轴仿真转台:为神舟铺个“轨道”。
   “神舟”号飞船要想以相当高的精度完成飞行,并在预定地点返回,其控制系统必须经过充分的地面模拟。哈工大王常虹教授带领的课题组承担的“OUT型三轴仿真实验闭式转台及其所构成的仿真系统”是地面模拟系统中不可或缺的组成部分,该系统用于飞船进行地面试验时,与仿真计算机、地球模拟器和太阳模拟器一起构成卫星(飞船)的闭路仿真和测试系统。如果说飞船是列火车,那么该系统就是火车的“铁轨”,保证飞船在轨道上精确运行。哈工大人以敢于迎接挑战、敢于拼搏奉献的精神,提前1个半月完成了项目,并受到了高度的评价。
   容错计算机:为神舟安装“大脑”
   “神舟”数管容错计算机是专用计算机,它具有自检测、自纠错的能力,可为飞船提供高可靠性的数据管理,技术难度很大,靠进口是不可能的。哈工大杨孝宗教授带领的课题组以短短9个月的超常速度(按常规应两年完成),与航天总设计部合作完成了 “载人飞船数据管理分系统主控容错计算机”的研制,促进了整个系统联调的进程。接受任务后,课题组立即打包托运实验设备进京,并采取了超常规的工作方法,不分昼夜,从总体方案设计、具体软件设计到最后组装设计、焊接、调试,从三级通信到电子盘应用等都是自己开发的。有些关键性的难题,甚至是在大年夜解决的……2001年,他们的研究成果与分系统一起获国防科学技术一等奖。
   故障诊断系统:为神舟配个“医生”
   “故障诊断”系统是保证飞船在运行过程中及时检测并排除故障、保证航天员安全的不可缺少的系统。以黄文虎院士为首的哈工大动力学与控制研究所,提出了采用“天地一体化”设计思想的飞船“故障诊断”系统的可行性论证方案,包括故障检测、诊断、隔离和恢复4个过程。飞船上天以后,地面有一个与在轨飞船同步运行的模拟“飞船”系统。当轨道上的飞船发回的信号出现不正常时,地面指挥部通过“故障诊断”系统进行诊断,找出故障源,并在地面同步运行的“飞船”上进行验证,确认在此故障源下复现所检测的不正常现象,此时才能向轨道上的飞船发送指令,按指定的措施启动飞船上的装置自动排除故障。整个过程不需要航天员的参与,完全自动化。课题组用了近3年的时间,完成了“飞船船载故障诊断技术研究”和“飞船地面故障诊断技术研究”,并分别获航天工业部和航天工业总公司科技进步三等奖。
   应用卫星与卫星应用:满园春色关不住
   “试验卫星一号”:创下四个“第一” 
   2004年4月18日,由哈工大联合航天科技集团公司所属空间技术研究院、中科院长春光机所和西安测绘研究所共同研制的“试验卫星一号”,在美丽的西昌卫星发射中心发射成功,标志着哈工大在小卫星这一国际上方兴未艾的技术领域中迈出了重要的一步。
   1997年,作为传统航天院校的哈工大以其强大的科研实力,在激烈的竞争中脱颖而出,承担了国家“863”计划支持的重大项目“试验卫星一号”微小卫星设计与研制工作。30多名来自飞行器设计、力学、信息与通信工程、控制理论与应用、计算机、人机环境工程、自动化测试等多个学科、专业的科研人员组成了跨学科课题组,开始了微小卫星一体化系统总体技术的研究工作。
   作为我国第一颗由高校牵头自主研制的具有明确应用目标的微小卫星,我国第一颗新技术演示验证微小卫星,我国第一颗传输型立体测绘卫星,我国今年首次发射的卫星, “试验卫星一号”的研制与成功发射,得到了国家有关部门领导、各方专家学者的极大关注与大力支持。

“试验卫星一号”转入发射场区

  
   在“试验卫星一号”卫星研制过程中,哈工大科研人员刻苦攻关,突破了多项制约我国微小卫星发展的关键技术,采用了“一体化”的设计思想,探索了我国微小卫星技术发展的新途径,演示验证了小卫星一体化设计与研制、基于磁控和反作用飞轮控制的姿态捕获、卫星大角度姿态机动控制、微小卫星高精度高稳定度姿态控制、卫星自主运行管理、三线阵CCD航天摄影测量技术等多项微小卫星的前沿技术。结合“试验卫星一号”的设计与研制,哈工大建立了具有国际先进水平的集微小卫星设计、分析、仿真验证、集成测试和试验于一体的微小卫星一体化设计与研制环境,培养和造就了一支既具有雄厚的基础理论知识,又富有创新意识和工程研制经验的微小卫星技术研究队伍。
   姿态控制:为卫星开路
   卫星在运行过程中,姿态控制至关重要。20世纪70年代末期,哈工大就承担了国内第一颗大型人造卫星“东方红”三号的“带挠性太阳帆板的三轴稳定卫星动力学与控制”论证,用了5年左右时间,对卫星挠性变形进行研究,是国内第一次系统地研究带弹性变形的卫星,在国内首次提出了航天动力学分析的软件系统,为我国进行此类卫星的总体设计和方案比较提供了实用手段,研究成果获得了航天工业部二等奖。80年代中期,哈工大承担的卫星“姿态动力学和控制系统分析”,也受到了专家的好评。另外,在“921”工程中,哈工大刘暾教授等带领课题组承担的“神舟”号飞船的太阳帆板分析和堵转研究两个课题,取得了突破性成果,被专家鉴定为达到国内领先、国际先进水平,为“神舟”号做了重要贡献。
   故障诊断:为卫星“保驾护航”
   除了“神舟”号的故障诊断系统,以黄文虎院士、姜兴渭教授、徐敏强教授等一批教授和研究生组成的课题组,还完成了一系列卫星、飞船以及空间站的故障诊断、动力学分析以及姿态控制等重大项目,如“SZ-1推进分系统故障诊断专家系统研究”、“空间站故障诊断技术研究”、“天地往返运输系统的健康保障系统”等多个卫星故障诊断项目,并获得国防科工委科学技术奖、航天工业总公司科技进步奖等奖项。“卫星故障智能诊断与演示系统技术研究”成果在上海航天局应用以后,不但能缩短卫星测试时间,还能尽早确立、排除故障,有效延长卫星的寿命。
   空间材料与环境:让卫星“健康长寿”
   中国航天要向纵深发展,必须经过航天器的“寿命关”。而航天器的可靠性与寿命是航天技术的综合体现,除了与航天器的设计、制造有关,还与航天器在轨服役期间所遭遇的空间环境有关。哈工大1995年成立了空间材料与环境工程实验室,一批卫星的“保健良医”为中国卫星寻求“长寿之方”做出了不懈的努力。他们在空间材料环境行为的模拟与寿命预测等方面做出了前沿性的工作,达到了世界先进水平;在应用基础研究方面初步形成我国空间材料在轨服役行为技术保障体系,为有效提高卫星等航天器关键器件的可靠性与寿命提供了技术途径及关键技术。
   哈工大在应用卫星的结构、控制、力学以及方案的研究,为有效载荷和卫星应用搭建了一个良好的平台。有了这个平台,有效载荷才能很好地发挥作用,相关的卫星应用才能更好地展开,航天技术也才能更有效地造福全人类。
   卫星通信:天地若比邻
   卫星光通信技术是卫星技术研究中的热点之一,是一个具有广阔应用前景的较新的研究领域。卫星光通信可应用于星际通信、空间与地面通信链路、深空探测、载人航天空间站通信等,近年来发展的低轨道小卫星星座更需要用光实现链路。卫星光通信技术的发展,将使卫星通信技术发生革命性的变化,产生巨大的效益并使卫星技术发挥更大的作用。由航天学院马晶教授、谭立英教授带领的课题组承担的“中继卫星间链路技术”研究,研制了国内首套综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统,可模拟卫星间激光链路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试。另外,哈工大专门从事移动通信系统、卫星应用系统研究的通信技术研究所,还研制成功超视距数据链,成果转化成装备,奠定了哈工大通信教学、科研的技术基础。通信所还被信息产业部选定为我国数字集群移动通信系统研制总体组长单位。
   卫星测控:巡天遥看一千河
   小卫星是一个综合性的系统工程,除了卫星本身包括很多先进技术之外,还包括仿真设计系统、地面测试系统和卫星测控通信地面站系统等。哈工大通信技术研究所为了配合“试验卫星一号”的发射运行而研制的“卫星地面站”项目,为哈工大在卫星跟踪、遥测数据接收分析、轨道预报、测控新体制等方面的研究和人才培养,开拓了新的领域。根据当前国际上空间技术高速发展的现状,通信所结合本学科的技术人才优势,瞄准今后10年的发展目标,建立小卫星测控和通信技术研究基地,力争在承担科研项目和人才培养方面达到国内领先、国际知名的地位。
   卫星生物技术:让高科技飞入寻常百姓家
   哈工大还利用卫星技术,开展航天生物技术的研究。哈工大生命科学系空间育种课题组多次利用返回式卫星搭载了水稻、玉米、花卉种子,进入太空进行实验。这些经过空间环境诱变技术而脱胎换骨的水稻——太空稻已经在冰城安家落户,并于2003年2月通过了黑龙江省品种委员会审定,首次在哈市种植10万亩。这种太空水稻具有抗病、耐寒性强、成熟期早、产量高(实际增产可高达15%左右)等特点,而且可以跨区种植,弥补了原品种熟期长、好倒伏、不能跨区种植等缺点。目前,空间环境工程研究室正在进行下一步“单一环境条件下”的太空育种研究,该项课题将在“十一五”期间得到国家更大力度的支持。
   在应用卫星与卫星应用领域,哈工大在复杂卫星动力学及其应用、微小卫星环境试验室、卫星总体仿真技术、卫星编队飞行关键技术研究、绳系卫星动力学分析、大挠性多体结构卫星控制、柔性空间飞行器姿态动力学与控制、航天器与空间碎片相互作用地面模拟实验研究等领域也取得了重要成果。尤其是1998年10月,哈工大卫星技术研究所的正式成立,使哈工大在应用卫星与卫星应用领域又迈上了一个新的台阶。
   深空探测:无限风光在险峰
   “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。”原哈工大校长杨士勤教授如是说。
   深空探测已经成为哈工大科研的又一重头戏。2000年11月发表的《中国的航天》白皮书中也明确指出,中国将在未来的10年中“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。在“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”上,哈工大展示了深空探测和载人航天方面的研究成果,其中的“一探三”的小行星探测方案、“远征”一号深空探测器模型、月球登陆太空车样车等引起了媒体和观众的广泛关注。
   深空探测,主要是针对月球以及比月球更远的行星,包括小行星和彗星的探测。月球探测和火星探测将是深空探测的热点。由于大行星体积规则、引力场强,所以相对容易对其进行探测,而小行星则体积不规则,而且引力场弱,对探测器的导航、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,那么火星等大行星的探测就会相对容易解决了。因此,在深空探测的起步阶段,开展月球探测将是我们实现深空探测零突破的最佳选择。
   探月工程:我欲乘风归去
   深空探测是航天活动的重要领域,月球探测则是深空探测的首选领域。在举世瞩目的探月计划中,月球车是完成这项计划的关键设备。月球车的研制是涉及机械、电控、材料、传感器、通讯等多学科领域的高科技项目。
   2003年年初,“哈工大机器人上月球”曾被评为“2003年哈尔滨人最期待的十件大事之一”。2003年11月,在北京展出的由哈工大机电学院院长邓宗全教授主持研制的3台月球登陆太空车样车成了最吸引观众眼球的展品。这3台月球登陆太空车的研制始于1999年,着眼于国家的“探月”工程,得到了国家自然科学基金的资助。目前哈工大研发的月球车是科研人员在国际先进经验基础上做了进一步改进提高以及在一些领域自主研发的基础上研制出来的,它主要有六轮、八轮和新型两轮并列式的新结构月球车几种,其结构各异,为下一步的登月提供了技术支持。
   行星探测:欲穷千里目
   由崔平远教授牵头,于2000年5月成立的哈工大深空探测基础研究中心,先后承担了民用航天预研项目“远程空间非合作性飞行体的会合与附着问题研究”(获得国防科学技术二等奖)、“远程空间探测会合与附着技术及仿真演示系统”和“863”重点项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”。该中心研制的“远征”一号深空探测器,构型、结构及布局都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,提出的“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,即发射“远征”一号探测器飞越凯瑞特和德尔塞默两颗小行星,最终在“爱华”小行星表面软着陆。同时,该中心研究开发的深空探测系统设计、分析与仿真软件和深空探测系统仿真与演示平台,都取得了突破性的成果。这些研究为深空探测活动提供了强有力的技术支持。2004年6月15日,中国宇航学会深空探测技术专业委员会在京成立,栾恩杰校友任名誉主任委员,马兴瑞校友任主任委员,崔平远教授任副主任委员兼执行委员,哈工大成为主任委员单位(挂靠单位),使哈工大向着深空探测领域又迈进了一步。
   机器人灵巧手:欲持彩练当空舞
   2004年6月15日至18日,由哈工大机器人研究所HIT/DLR机器人联合研究室研制的HIT/DLR机器人灵巧手,在德国慕尼黑举办的首届国际机器人及自动化展览会上受到极大的关注,并获得圆满成功。HIT/DLR机器人联合研究室由哈工大与德国宇航中心(DLR)于2001年合作建立,由哈工大“长江学者”计划特聘教授刘宏主持,并在2003年初就研制成功了国内第一个类似人手的机器人灵巧手。此前,世界上只有美国宣布已研制成功这种高技术装置。HIT/DLR 机器人灵巧手是双方基于DLR Hand II手共同研制开发的新一代多传感器、高度集成的机器人灵巧手,有4个相同结构的手指,13个自由度,600多个机械零件,表面粘贴的电子元器件1600多个,手的尺寸略大于人手,但整体重量只有1.6千克,小于国内外的同类机器人灵巧手。手指结构与人手结构相同,每个手指有4个关节,由3个电机驱动,每个手指能提起1千克的重物。在人的遥控下,机器人灵巧手不仅能拿着诸如扳手、螺丝刀之类的多种工具准确无误地拧螺丝、更换元器件的精细活儿,还能完好无损地抓起一个鸡蛋或在钢琴上奏出动听的音乐,并能够实现基于数据手套的远程遥控作业。刘宏教授说:“它可以安装在太空智能机器人的胳臂上,代替宇航员到舱外的太空环境中进行一些长时间的复杂作业,而无须靠宇航员冒着生命危险去从事。”因此该机器人灵巧手是我国正在发展中的智能太空机器人的关键技术部件之一,将在未来的深空探测中将发挥重要的作用。

刘宏教授(左三)向参观者讲解我校研制的HIT/DLR机器人灵巧手(刘伊威摄)

  宇航服测试系统:和宇航员亲密接触
   哈工大独立研制的宇航服关节阻尼力矩机器人测试系统也填补了国内空白,达到了国际领先水平。2002年6月,这套“造价较低,安全性较高”的系统顺利地通过验收。这一系统利用被动机器人的测量原理,将多维力/力矩的传感器与测量系统融为一体,可以在不改变宇航服任何结构的状态下,模拟人类感觉,检测服装各关节的灵活性,然后利用三维图形仿真技术,将整个模型的建立过程及测量过程直观逼真地反映出来,为宇航服的设计加工提供了可靠的参数,使宇航服的灵活性检验一次完成。
   另外,1999年在北京召开的“中国空间实验室(站)发展研讨会”上,哈工大提出的“关于中国10吨空间站”总体设计方案也受到了业内人士的关注。同时复合材料研究所研制的月球着陆气囊、等离子发动机研究所研制的小推力等离子发动机等相关研究和项目,也为深空探测做出了一份贡献。
   航天技术领域是典型的高新技术的结晶。科技处副处长付强说,哈工大隶属“航天”18年,划归国防科工委之后,仍然紧密地与中国航天走在一起。哈工大发挥多学科交叉优势,组织联合攻关,以发展关键技术为推动,以承担航天重大任务为目标,承接了多项大型尖端工程项目,已形成了鲜明的航天特色。
   目前,在航天项目工作中,哈工大所开展的研究覆盖面广、偏重基础、注重创新,是哈工大科研工作切入“航天”的生命线和关键点。据科技处不完全统计,哈工大在仿真、新材料、计算机及共性软件、先进制造、有效载荷等16个跨行业领域和具有明显航天特色的卫星技术、制导与控制、发动机、航天工艺等8个行业领域的立项和经费在全国高校中首屈一指。仅“八五”以来,哈工大获得国家级科技进步奖、国防科工委科技进步奖、航天科技进步奖、国家教育部科技进步奖及省科技进步奖(一、二等奖)的航天相关项目即达400多项,“八五”期间至2002年10年间与航天相关的科研经费近12亿元。哈工大已经发展成为航天领域内基础预研基地、试验设备研究基地(非标准设备研究基地)、材料工艺研究基地、先进生产制造加工基地、测试技术研究基地。在未来的发展中,哈工大还将在空间光学、微小卫星、空间新型动力技术、深空探测等领域加快发展步伐。
   “神舟”五号发射成功之后,“神舟”六号、“神舟”七号即将问鼎苍穹,而后“绕月探测”工程、建立永久性空间站接踵而来……对太空的探索为我们提供了一个广阔的科研空间。哈工大能否再创造一次奇迹,一次辉煌,主要依赖于今天的规划和努力。有一天,当我们把“嫦娥奔月”的美丽神话变成现实,当我们建立了空间站、实现了空间对接……在梦想与现实对撞、挑战与机遇并存、辉煌与压力同在的时代,让航天梦想支撑一代代哈工大人,继续塑造一代又一代风流人物……