今年1月12日16時，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地，力鴻一號遙一火箭轟鳴而起，拖著一道長長的尾焰劃破天際。當跨越100公里的“卡門線”（即外太空與地球大氣層的分界線），抵達約120公里的彈道頂點時，力鴻一號啟動無動力返回。距地面70公里時，火箭一路靈活調(diào)整“回家”路線，最終以高精度定點、定姿落地。
這是國內(nèi)首次針對火箭在線軌跡優(yōu)化制導(dǎo)技術(shù)，完成的百公里級亞軌道飛行試驗。這一試驗的成功，為我國火箭未來可重復(fù)使用及實現(xiàn)“航班化”發(fā)射奠定了堅實的基礎(chǔ)。
成功駕馭此次返程的火箭“大腦”，是由中山大學師生抓總研制的箭載制導(dǎo)計算機“慎思二號D”，集成了由該校自主研發(fā)的“在線軌跡優(yōu)化制導(dǎo)”算法，能在復(fù)雜飛行環(huán)境中，為無動力的箭體回收實時尋出一條最優(yōu)路線。
從2019年布局算法研究到如今投入飛行試驗，為了攻克這一技術(shù)難關(guān)，中山大學團隊深耕了7年。今年春節(jié)，他們依然沒有停歇，馬不停蹄地打磨升級版的“慎思二號”單機、論證試驗可行性，籌備新一輪飛行。
算力不足算法創(chuàng)新來彌補
系統(tǒng)科學與工程學院藏在中山大學校園東北角一處坡路上。搭乘電梯上6樓，狹長的走廊里挨著一整排實驗室，裝潢簡單明亮。
在這里，中山大學師生花了7年時間來琢磨一件事：如何讓火箭“自己回家”。
十年前，美國SpaceX公司可回收運載火箭“獵鷹9號”的首次成功回收，引起了轟動。做了二十年航空航天研究，中山大學系統(tǒng)科學與工程學院院長陳洪波對此也十分關(guān)注?！斑@些年，中國商業(yè)航天發(fā)展飛快，新公司如雨后春筍般冒出來，但研究火箭回收的很少。”
2019年，“獵鷹9號”來回飛了近10次。陳洪波意識到，“火箭回收技術(shù)是必須攻克的一關(guān)”。他在中山大學組建攻關(guān)團隊，瞄準其中關(guān)鍵一環(huán)進行布局——研發(fā)一套智能算法，讓火箭在無動力返回、無人工干預(yù)的情況下，能自主、實時規(guī)劃最優(yōu)路徑，精準回到預(yù)定落點。
也就是說，要為火箭裝上能自動回家的“大腦”?；鸺龔陌俟锔叨雀咚傧聣?，與大氣劇烈摩擦后會產(chǎn)生強烈的非線性擾動，飛行狀態(tài)瞬息萬變。算法要在極短的時間內(nèi)、在極不穩(wěn)定的環(huán)境中，規(guī)劃出一條精準的返程路線。
“火箭規(guī)劃返程路線需要一秒鐘計算50次，得讓它自己知道‘我在哪、要去哪、現(xiàn)在該怎么飛’?！敝猩酱髮W系統(tǒng)科學與工程學院副教授、型號副總設(shè)計師王勁博說。
在火箭返回途中，路線該怎么走、姿態(tài)該怎么調(diào)……種種問題，都得由這套算法說了算。但棘手的是，現(xiàn)有的箭載計算機算力有限，“跑”不動這套需要實時計算的復(fù)雜算法。
“在航天領(lǐng)域，計算處理器件往往選用主頻相對較低的計算機，因此計算能力有限，只能跑一些相對簡單的算法?！蓖鮿挪┙忉?，這一方面是因為航天器內(nèi)空間“寸土寸金”，如果往加強算力的方向發(fā)展，就意味著計算機要占據(jù)更大的空間和重量，要盡量“節(jié)約”這部分空間用于其他必需物品的搭載。
更重要的是，在強輻射空間里，計算機主頻越高、算力越好，反而越容易受到高能粒子的“攻擊”，從而發(fā)生空間輻射“單粒子效應(yīng)”，使數(shù)據(jù)出錯、指令紊亂，這對火箭回收而言無疑是個硬傷。
理想狀態(tài)下，等未來有了更好的芯片，也許能解決這個難題。可是，芯片升級成本高、周期長，同時算法還在不斷迭代，很難等到完美適配的那一天。
“有沒有其他路子？”陳洪波和團隊反復(fù)碰撞，終于找到了新的突破口——與其讓硬件來“托住”算法，不如通過算法創(chuàng)新來彌補算力的不足。也就是要在算力相對有限的箭載計算機上，把“在線軌跡優(yōu)化制導(dǎo)”所需的高密度計算“跑”通、“跑”快。
具體怎么做？王勁博介紹，傳統(tǒng)算法是“串行”的，處理任務(wù)得逐個排隊。而他們所做的，就是把算法拆開，讓不同的計算任務(wù)在芯片的多個核心上同時運行，相當于把“單行道”變成了“多車道”。
他打了個比方：“好比景區(qū)原本只設(shè)一個入口，只能一人一票一通行，但游客一多就堵住了?，F(xiàn)在多開幾個通道，大家就能同時進，效率自然就上來了?！?/p>
中山大學自主研制的“慎思二號D”(SS-2D)箭載制導(dǎo)計算機。
為未來火箭“航班化”打下基礎(chǔ)
有了創(chuàng)新的思路，其落地還得有芯片的支撐。值得一提的是，“慎思二號D”箭載制導(dǎo)計算機100%采用國產(chǎn)元器件。王勁博介紹，近年來，國產(chǎn)抗輻射處理器從單核向多核發(fā)展，為系統(tǒng)的并行計算提供了硬件基礎(chǔ)。
有了這個底子，團隊在數(shù)據(jù)調(diào)度、任務(wù)同步等底層架構(gòu)上精雕細琢，確保多個核心跑完后能把結(jié)果準確拼起來。
2022年，歷經(jīng)數(shù)次地面仿真實驗后，這套算法首次搭乘運載火箭，在真實飛行環(huán)境中試驗。不過，這一次雖然算法全程實時計算，但不實際“指揮”火箭。
數(shù)據(jù)傳回后，團隊對比分析發(fā)現(xiàn)，算法表現(xiàn)不錯，計算結(jié)果準確。陳洪波心里有底了。
繼續(xù)一次次調(diào)試、一輪輪驗證……最終誕生的“慎思二號D”箭載制導(dǎo)計算機集成了團隊自主研發(fā)的在線軌跡優(yōu)化算法。
其名字中，“慎思”二字取自中大校訓(xùn)，“慎思一號”為非飛行試驗計算樣機，“D”表示該箭載計算機基于國產(chǎn)DSP處理器。
要驗證算法是否真的管用，必須讓它到真實的飛行中接受檢驗。2024年初，中山大學團隊與中科宇航敲定合作，將“慎思二號D”裝上了力鴻一號試驗火箭。這一次，算法進入控制回路，在百公里級高度飛行剖面條件下實時決策、實時指揮。
在1月12日的發(fā)射試驗中，自力鴻一號返回至距地面70公里開始，“慎思二號D”開始執(zhí)行在線軌跡優(yōu)化返回制導(dǎo)程序。在極其復(fù)雜多變的外部條件下，最終，火箭的墜落點與目標落點僅有數(shù)百米誤差。
百公里返回落點精度達到百米量級，這是一個突破性的成就。試驗結(jié)果表明，該算法能夠滿足高動態(tài)飛行條件下的實時制導(dǎo)需求。
“在復(fù)雜系統(tǒng)工程中，國外傾向于通過快速試錯來迭代技術(shù)，比如發(fā)射火箭，他們接連地炸一發(fā)、再炸一發(fā)，直至成功。”王勁博說，而中國航天受“兩彈一星”精神影響深遠，形成了嚴密的“歸零”機制，如果失敗，就要徹底找到問題根源并解決，才能復(fù)飛。
盡管成本高、周期長，但穩(wěn)扎穩(wěn)打，具有高可靠性。陳洪波介紹，在經(jīng)過進一步算法改造后，“慎思二號D”能適配多類運載火箭和試驗飛行器，可為我國火箭發(fā)射像飛機一樣常態(tài)化、高頻次“航班化”，低成本進入空間技術(shù)發(fā)展提供有力支撐。
種下一批有“實戰(zhàn)”經(jīng)驗的種子
運載火箭可回收技術(shù)如今已是商業(yè)航天公司競相追逐的目標，在這個熱門的研發(fā)賽道，高校有什么競爭力？中山大學團隊給出的答案是有組織的科研。
項目啟動之初，團隊就建立了“總師團+專項任務(wù)副總師+項目辦”的科研組織體系。
“過去的科研模式以單點突破、分散作戰(zhàn)為主，如今我們構(gòu)建了以工程目標為牽引、多學科深度協(xié)同的新型攻關(guān)模式。”中山大學前沿交叉創(chuàng)新研究院副院長、型號辦副主任郭漣漣說。
中山大學系統(tǒng)科學與工程學院先施展了一套“易筋經(jīng)”——打破學科壁壘，注重學科交叉，將航空航天、計算機、控制、電子信息等多個學科專業(yè)深度融合。
其中，王勁博是“跨界融通”的典型代表。他本科在哈爾濱工業(yè)大學就讀計算機專業(yè)，后修讀飛行器設(shè)計，兩個領(lǐng)域都懂?！叭绻欢嬎銠C底層架構(gòu)，就想不到從算法優(yōu)化入手；如果不懂航天需求，優(yōu)化出來的算法也用不上?！标惡椴ㄕf。
力鴻一號騰空而起，揚塵漫天。160公里外，中山大學系統(tǒng)科學與工程學院博士三年級學生張嘉凱仰著頭，看著那道火光越來越小，最后消失在天際線。
當天，張嘉凱的任務(wù)是在降落區(qū)等待火箭落地，找回“慎思二號D”?？刂苹鸺珳史祷兀渲芯陀袕埣蝿P寫下的代碼。這是他第一次參與大工程科研，就擔任了型號制導(dǎo)算法工程師，負責返回段制導(dǎo)算法設(shè)計。
這是中山大學的一項創(chuàng)舉：在有組織的科研中探索新型育人模式，聘任學生為重要崗位的工程師，讓學生在真實的“戰(zhàn)場”上淬煉真本事。
2024年10月，中山大學專門舉辦了一場聘任儀式，方正的“大紅本”聘書被鄭重地遞到他們手中。受聘的學生來自數(shù)學、計算機、材料、航空宇航科學技術(shù)等不同專業(yè)方向。圍繞各自的論文主題，他們在項目中驗證算法、創(chuàng)新研究，促使自己做出來的課題能夠落地應(yīng)用。
“高校能做的，不只是攻克一項技術(shù)，更是種下一批種子?！标惡椴ㄕf。
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