太空“穿针”有“慧眼”
【创新故事】
◎本报记者 孙 越
试想，在超高速公路上，两辆小汽车正以每秒7.8公里的极速飞驰。如果让后一辆汽车向前加速，分毫不差地将车头上的一根细线穿进前车车尾的针眼里，该怎样做到？
你大概会说，这不可能。
然而，中国电科二十七所（以下简称“二十七所”）交会对接激光雷达团队，让这种不可能成为可能。
对这个团队而言，要实现穿针引线的“小汽车”其实就是太空中的飞船与空间站，“针眼”就是航天器的对接接口。而在太空中引导飞船与空间站实现交会对接的“慧眼”，就是交会对接激光雷达。
从2011年在神舟八号首次亮相，到2021年助力神舟十三号与空间站组合体首次实现径向交会对接，再到今年10月26日助力神舟十七号对接空间站核心舱前向端口形成“三舱三船”组合体，交会对接激光雷达已多次支撑我国载人航天任务完成。
“雪山脚下蹚出一条路”
神舟十七号发射前，魏龙超的心弦又绷紧了。
作为二十七所光电系统部高级工程师，魏龙超在交会对接激光雷达的研发道路上已经走了10年。向科技日报记者回忆起研发之初的经历，他感慨万千。
1995年，二十七所激光部起草论证书，“太空中的慧眼”从构想走向科学体系论证；2005年，交会对接激光雷达研发项目正式启动，应用目标是用于6年后升空的“神八”。
当时，交会对接激光雷达是一项前无古人的新技术，无技术基础、缺乏相关文献，实地测试条件也不具备。
“要做出一个在天上用的激光雷达，可我们没人上过天。”魏龙超说，“天上的条件到底是怎么样的，我们根本就不知道。”
研发团队只能参考国内外资料，再结合地面试验，推演太空中的情况。二十七所所址在河南郑州，由于海拔低，受大气环流影响大，不适合做地面试验。几经考察，他们把试验地选在了云南丽江。
二十七所光电系统部高级工程师封治华，到现在都还记得丽江那个早春——
2011年3月，距离“神八”发射不足一年，激光雷达处于验证调试的关键期。在经历两周不眠不休的“魔鬼式”系统联调后，封治华一行五人带着激光雷达来到丽江，测试激光雷达的信号接收与系统探测跟踪威力。
为了模仿太空中的交会对接环境，他们把激光雷达主设备架在酒店顶楼，然后在距其约11公里的山上放置信号捕获目标。
那是一座玉龙雪山脚下的小荒山，人迹罕至。封治华和另外两名设计师一起，背着两套重达几十斤的接收设备，在满是坑洼与石砾的大山上，寻找合适的接收点位。
“激光雷达的搜索范围有限，我们背着接收器在山上不停地移动，反复变换位置，不断配合调试来完成信号接收。荒山野岭间没有路，只能硬生生地蹚。”封治华说，天气晴朗时，抬眼望向不远处玉龙雪山，扇子陡峰巍峨高耸，像是一个对着天空画出的惊叹号。
封治华的回忆里，玉龙雪山下的那个春天，很美；自己用脚步丈量出的路，很长。
“从0到100”
虽然在交会对接激光雷达研发之初，二十七所研发团队完全处于“零基础”的状态，但是中国航天对团队提出的要求是——“百分百”。
“这不是‘从0到1’，是‘从0到100’。”魏龙超说，中国航天的质量管理体系极其严格，每一件产品下线之前，技术人员必须对其有百分之百的把握。
“有一次，我们做系统测试时发现数据不稳定，显示有系统干扰。排查定位问题没有捷径可走，我们从分系统到单机、从电路板再到微小的器件逐一测试。干扰源种类多，干扰又属于偶发现象，需要24小时不断进行。经过连续奋战，我们最终发现是某一处电路设计不合理导致了电磁干扰。”封治华回忆说。
找到问题后的修改更是难处所在。整个系统相连，牵一发而动全身，对一处细节进行的小改动就可能影响到全局。如同用积木盖了一座高楼，要变动其中的一块，就要考虑对整体的影响。
“指甲盖大小的改动微不足道，却要经过不断的平衡、复盘和测试，相当于要把整个系统重做一遍。”产品交付后，封治华心里的石头并没有落地。
雷达上天以后能不能圆满完成任务？天地差异的计算是否精准？飞船万一没有对接上怎么办？无数个问号在他心里“咚咚咚”地敲鼓。
“航天与地面操作不一样，它不能维修，也无法重来。理性上，所有实验都做过了，能验证的也都验证完成了，并且做了很多冗余设计；感性上，我就是止不住地忐忑、担心。就像是一个母亲担心出远门的孩子。”封治华说，“有一次，我做噩梦，梦见主任对我说，咱们的雷达没对上，我一下就惊醒了。过几分钟才缓过来，想起飞船还没发射。”
2011年11月3日，神舟八号飞船与天宫一号成功完成刚性连接，形成组合体，交会对接激光雷达首战告捷。然而，坐在会议室大屏幕前的团队成员们，却并没有爆发出想象中的掌声与欢呼。擦掉泪水与汗水，他们更多的感觉是放松——今晚，终于可以睡个好觉了。
“激光雷达技术永不成熟”
随着我国航天技术不断更新迭代，二十七所研发团队面临的挑战也越来越多。径向交会对接，成为摆在团队面前的新任务。
“形象地说，原来的对接方式是‘两车追尾’，而径向交会对接就是后面的汽车‘漂移’过去，拐个急弯，精确地把‘线’穿到前车车头的针眼里去。”封治华说。
2021年10月，神舟十三号载人飞船搭载3名航天员发射成功，并首次以径向交会对接的方式实现与天和核心舱的连接。
“这次对接在观测坐标系复杂变换的条件下，激光雷达始终保持对预设目标的稳定跟踪，并在预设切换点迅速完成不同合作目标间快速切换，保证了全程高精度测量数据的稳定有效。”魏龙超自豪地说。
2023年5月，航天交会对接激光雷达与神舟十六号同步升空，成功进行了空间站核心舱径向端口交会对接的精确引导，完成了中国空间站应用与发展新阶段的首次载人任务。
此次，在神舟十七号飞船与空间站核心舱前向端口交会对接接近段和靠拢段，激光雷达顺利完成了对目标空间站的搜索、捕获、跟踪测量，支持飞船GNC系统完成空间交会对接控制任务并形成“三舱三船”组合体，助力中国空间站应用发展进入新阶段。
“激光雷达‘上天’这么多次，是否意味着这项技术已经成熟？”记者向二十七所光电系统部负责人范海震提问。
“不，激光雷达技术永远不会成熟。我们始终有新的山峰要攀，新的困难要攻克，新的路要走。”范海震说，目前，团队已经完成了后续神舟飞船的激光雷达配备，并同时着手研发更先进的设备，为服务国家探月、探火战略作技术储备。
“上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，谁能极之？”两千多年前，屈原于川泽之间叩击的《天问》，正在得到新时代中国科技工作者的回应。