火箭“中枢神经”的转型
——改进型长二Ｆ火箭副总设计师宋征宇谈火箭控制系统新变化 

    新华社北京１０月３日电(新华社记者王敏)与三年前护送神舟七号载人飞船上天的长二Ｆ火箭相比，发射“天宫一号”的改进型长二Ｆ火箭由于不需要载人，取消了控制系统中关机装置和逃逸塔分离系统。

    乍一看似乎难度降低了，然而，要圆满完成空间交会对接任务，必须要确保目标飞行器和飞船的入轨精度非常高。这对火箭的控制系统提出了更高的要求。

    如何才能完美托举天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船精确入轨，改进型长二Ｆ火箭的控制系统发生了什么变化？记者为此采访了中国航天科技集团公司第一研究院火箭系统副总设计师宋征宇。

    给火箭置换了一个全新“大脑”

    “任何一发火箭在点火升空之后之所以能够按照预定轨迹飞行，并且最终能够精确地将目标送入预定轨道，主要是靠火箭的控制系统来完成整个过程。因此，如果将发动机比喻为火箭的‘心脏’，那控制系统则起着类似人体‘神经中枢’的作用。”宋征宇道出了火箭控制系统的重要性。

    据宋征宇介绍，此发改进型长二Ｆ火箭的控制系统是个全新的系统，从使用的方案、原理、具体设备、软硬件等方面都与发射“神七”的“长二Ｆ”发生了很大变化。

    “相当于给火箭置换了一个全新的‘神经系统’。”宋征宇比喻道。

    在控制系统所发生的这些变化中，制导方式首次由原来的摄动制导改为迭代制导无疑是其中的亮点。

    据宋征宇介绍，摄动制导（Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）主要指火箭按照标准弹道飞行。而迭代制导（Ｉｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｇｕｉｄａｎｃｅ）则是随着现代计算机技术和最优控制理论发展而出现的一种自适应制导技术，是根据火箭当前的速度、位置以及预估的入轨点，不断调整自己的飞行轨迹。

    “打个比方说，家住五环路，工作单位在三环路。摄动制导给你规定好了具体路径，而迭代制导只是告诉你目的地，并不限制具体路径。”火箭总设计师荆木春曾这样比喻。

    入轨精度提高一个量级

    从２０世纪６０年代末开始，迭代制导在运载火箭上得到了应用，美国的土星－Ｖ火箭、航天飞机，欧空局的阿里安火箭，俄罗斯的能源号火箭都采用了迭代制导技术。它的主要特点是制导精度高、任务适应性强、箭上制导装置简单、对地面准备要求相对较低。

    我国载人航天工程的交会对接任务对运载火箭入轨精度、对轨道调整的适应性、可靠性等多个方面提出了很高的要求，采用迭代制导是一种较为合适的选择。国内对迭代制导方法研究已经开展多年，但将理论转化为工程实践是工程设计人员必须解决的重点课题。

    宋征宇表示，由于载人航天工程二期要进行交会对接任务，对天宫一号目标飞行器来说，入轨精度并没有很高，但对神舟八号飞船来讲，由于要对接就要求其精确入轨，以便能顺利和“天宫一号”在太空胜利会师。这样，即便再提高惯性器件的精度，原有的制导方法也难以满足入轨精度要求，只能采用更为先进的迭代制导技术了。

    “采用迭代制导以后，火箭不仅入轨精度提高了一个量级，而且在飞行过程中对外界干扰的适应能力增强了。高的入轨精度可以调整飞船自身调整轨道的工作，从而节省了燃料、提升了运载能力，可以搭载更多的有效载荷来进行相关的科学实验，延长使用寿命。”宋征宇表示。

    从理论转化为工程应用

    确定了制导方案，还要有相应配套的制导工具。改进型长二Ｆ火箭用两个惯性测量组合来代替气浮陀螺平台。这样一来，火箭不仅增加了几十公斤的运载能力，更为重要的是惯组适应火箭在俯仰偏航方向上的机动。而此前在采用平台的情况下，只能在俯仰方向上进行程序飞行，在偏航方向受到了很大限制。

    然而，迭代制导纵有千般好，但将迭代制导真正运用到控制系统中却并非易事。

    “虽然迭代制导理论是成熟的，但从理论转化为工程应用的过程却十分复杂。我们要确保选取的参数涵盖火箭在飞行过程中可能出现的各种情况，保证算法收敛；当发生意外情况时，还要确保火箭的安全性。”宋征宇讲述了采取迭代制导技术的难点。

    据介绍，为了能够验证算法，火箭研制团队采取了大量的质量保证措施，包括六自由度多系统联合仿真和上万条弹道的模拟打靶等试验，并请很多同行专家进行独立复合复算，对方程、模型、计算结果进行深入检验，确保控制算法的正确性。