作者:张双虎 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/9 12:37:33
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胡海鹰:打造太空的“火眼金睛”

 

2021年3月19日,美国NOAA-17号气象卫星突然“解体”。尽管NOAA-17已退役,其原因不明的解体仍引人担忧,且解体后的大小碎片也威胁到其他航天器。

今年年初,一颗编号为49863的空间碎片与我国清华科学卫星“擦肩而过”,最近距离仅为14.5米,十分惊险。

不久前,SpaceX提交给FCC(美国联邦通信委员会)的文件披露,去年俄罗斯进行反卫星试验,产生超过1500块碎片云。为躲避碎片,星链卫星不得不进行多达1700次避让。

随着人们太空活动逐渐频繁,航天器不断增加,各种空间碎片、太空垃圾也呈指数级增长。为预防太空“交通事故”发生,确保航天器安全在轨工作,人们通常会避让、拖拽或摧毁太空垃圾。但所有这些操作的前提是:能够进行精准空间环境探测——我们要看到太空目标靠近,精准计算其轨道。

提到空间环境探测,不能说我国首个天基空间环境探测系统——试验六号卫星系统和它的型号总设计师,中科院微小卫星创新研究院副院长胡海鹰。

胡海鹰.jpg

胡海鹰        受访者供图

比“大海捞针”更难

在距我们3.6万千米外的地球同步轨道上,一块1米见方的卫星碎片一闪而过。虽是电光石火的一瞬间,但试验六号卫星系统已将其精准“拿捏”。

“试验六号卫星系统主要用于空间环境探测,从而保护我们的航天器安全。”胡海鹰告诉《中国科学报》,“这些目标碎片就像海洋中的鱼,我们首先要确保看得到,能区分出它们是什么,能追踪其行迹,然后计算预测其轨道,才能将它们‘管’起来。”

伴随人类日益频繁的太空探索活动,发射升空的各类航天器越来越多,在太空中留下了大量空间碎片。这些太空碎片漂移速度很快,十分危险。比如,AK47步枪子弹出膛速度为710米/秒,弹头重约8克,其动能足以在100米距离内穿透1厘米厚的钢板。而太空碎片的速度是7.5公里/秒,即使弹头大小的太空金属碎片也能轻松打穿卫星。一旦太空碎片撞上正在工作的卫星、空间站,就是一场惨烈的太空“交通事故”。

“这些太空碎片不但速度很快、而且目标很小(一两米见方),光线暗淡。”胡海鹰介绍说,人类肉眼能看见最暗淡的星是6等星(恒星亮度类别,星等越大亮度越小),而在地球同步带上,这些碎片暗淡到只有14至15等星(星等降到15等,亮度约是肉眼可见星的1/1000)。

试验六号卫星从低轨看地球同步带的目标(距离3.6万千米),其难度比“大海捞针”更大。

2008年,我国正式立项启动“创新三号”卫星研制,胡海鹰担任卫星总体副主任设计师。2013年,卫星顺利发射升空,多项技术指标达到国内领先,得到用户广泛好评。

一年后,年仅36岁的胡海鹰面向国家重大需求,出任试验六号卫星总设计师,提出由三颗星组成星座系统(试验六号卫星系统),以实现对空间环境的更佳探测。2021年4月,随着试验六号03星发射升空并顺利进入预定轨道,我国不仅建成了首个完全自主知识产权的天基空间环境探测系统,更有了太空边疆的“安全卫士”。

“太空中,中国的航天器不断增多,它们的安全需要有人来戍卫。”胡海鹰说,“戍卫航天器的,不是普通战士,而是拥有高技术的卫星。戍守好天上边疆,是航天人的职责所在。”

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胡海鹰(前)带领型号研发团队在测试        受访者供图

认准目标干到底

将卫星准确送入预定轨道是项名副其实的“大系统工程”,各协作单位和团队之间的“协同”自然成为最大挑战。

“我们搞总体工作,知道任务的需求在哪儿,然后提出一些方案,但工程实施中涉及时间上的协同、技术上的协同,接口上的协同,还有大家意识方面的协同。”胡海鹰说,“比如试验六号研制过程中,配合单位有五六十家,各单位按方案进行工作,但不同单位有不同的认识和理解,所以要统一认识、协同攻关,最后要把所有工作集成起来,进行验证,然后送上天。”

各协作单位统一认识后,将“想法变现”或从理论变成现实的过程依然困难重重。胡海鹰举例说,在“天对天自动闭环跟踪”方面,从原理设计到电脑仿真都非常顺畅,包括“大视场引导”“小视场快速跟踪”这些理念“纸上得来”都很容易,但要把它送上天,实际工作中却要克服很多具体困难。

2010年,胡海鹰等人终于完成单机协同,将方案变成样机,又将工程样机做成“正样”。团队信心满满,开始外场实验,当时7天内目标有10次从天上划过的机会,但“那个设备一动不动,软件也没反应,10次自动跟踪机会一次也没跟上,整个实验完全失败了”。

事后胡海鹰分析,跟踪是个联动过程,有不同设备之间的协作,也有软硬件方面的匹配。一开始大家对困难预料不足,因为系统是多家单位做的,也存在系统间的不匹配问题。

此后两年,胡海鹰等人在系统匹配方面狠下功夫,他们改变跟踪策略,优化图像处理,完善软件算法,又在此基础上做了10来次外场实验。2012年,团队终于在吉林白城场外实验中取得圆满成功。

“我记得很清楚,同样是7天10次机会,我们全部在轨实现了自动跟踪。”回忆起10年前的成功实验,胡海鹰仍难掩兴奋。

胡海鹰与同事在厂房车间讨论型号研制问题.jpg

胡海鹰(中)与同事在车间讨论型号研制问题        受访者供图

最“拼”的那个人

国家在召唤,唯有迎难而上。

胡海鹰作为型号总设计师签下工程任务责任状,带领团队成员经过 7 年的摸爬滚打、对空间环境探测方法进行了体系化的创新理论设计和试验验证,设计了高、低轨道卫星构成的多星组网方式,首次提出利用多手段联合探测识别空间环境等8项核心技术,攻克了平台与转台复合控制等6项“卡脖子”难题,终于建成我国首个天基空间环境探测系统——试验六号卫星系统。

而他本人,也被大家称为团队中“最拼的那个人”。

扎根航天事业16年,胡海鹰先后完成了多个极具挑战性的卫星型号研制任务。为此,他一直奔波在路上,每年出差仅飞机就要坐130多趟,如果连续两天出现在家,女儿就会觉得奇怪:“爸爸,你怎么还不出差?”

不是出差、就是加班或开会,因为单位离家较远,胡海鹰经常早出晚归,很少陪伴孩子,所幸家人给予了足够的理解和支持,这甚至有点让他觉得这种状态“理所当然”。

“(这样)对孩子也有一定好处。”胡海鹰说,“孩子知道我在做什么,也明白大家资质都差不多,你不付出努力,凭什么会比别做得好一点儿的道理。”

胡海鹰很“拼”,他带领的团队里,每一个人都很“拼”。

“这实际上是一种传承。这个领域竞争激烈,我们一直在卫星研制前沿,一个分得很细的领域深耕,靠的就是积累和传承,前辈航天人的言传身教和科学家精神的引领作用很强。”胡海鹰说,“航天人尤其需要一旦认准方向坚持不懈地去做就一定能把它做出来的信念。同时,团队协作精神对我们来说也必不可少。”

胡海鹰常常把“我们一起学习,把这个难关攻下来”等话挂在嘴边。他抢时间、带头拼,为年轻人传授经验更传递信念,用言传身教体现了新时代航天人的鲜明品格和时代担当。胡海鹰坚信,航天精神也会在同频共振中一代接一代地传递下去。

 
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