今年1月12日16時(shí)，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地，力鴻一號(hào)遙一火箭轟鳴而起，拖著一道長(zhǎng)長(zhǎng)的尾焰劃破天際。當(dāng)跨越100公里的“卡門(mén)線(xiàn)”（即外太空與地球大氣層的分界線(xiàn)），抵達(dá)約120公里的彈道頂點(diǎn)時(shí)，力鴻一號(hào)啟動(dòng)無(wú)動(dòng)力返回。距地面70公里時(shí)，火箭一路靈活調(diào)整“回家”路線(xiàn)，最終以高精度定點(diǎn)、定姿落地。

這是國(guó)內(nèi)首次針對(duì)火箭在線(xiàn)軌跡優(yōu)化制導(dǎo)技術(shù)，完成的百公里級(jí)亞軌道飛行試驗(yàn)。這一試驗(yàn)的成功，為我國(guó)火箭未來(lái)可重復(fù)使用及實(shí)現(xiàn)“航班化”發(fā)射奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

成功駕馭此次返程的火箭“大腦”，是由中山大學(xué)師生抓總研制的箭載制導(dǎo)計(jì)算機(jī)“慎思二號(hào)D”，集成了由該校自主研發(fā)的“在線(xiàn)軌跡優(yōu)化制導(dǎo)”算法，能在復(fù)雜飛行環(huán)境中，為無(wú)動(dòng)力的箭體回收實(shí)時(shí)尋出一條最優(yōu)路線(xiàn)。

從2019年布局算法研究到如今投入飛行試驗(yàn)，為了攻克這一技術(shù)難關(guān)，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)深耕了7年。今年春節(jié)，他們依然沒(méi)有停歇，馬不停蹄地打磨升級(jí)版的“慎思二號(hào)”單機(jī)、論證試驗(yàn)可行性，籌備新一輪飛行。

算力不足算法創(chuàng)新來(lái)彌補(bǔ)

系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院藏在中山大學(xué)校園東北角一處坡路上。搭乘電梯上6樓，狹長(zhǎng)的走廊里挨著一整排實(shí)驗(yàn)室，裝潢簡(jiǎn)單明亮。

在這里，中山大學(xué)師生花了7年時(shí)間來(lái)琢磨一件事：如何讓火箭“自己回家”。

十年前，美國(guó)SpaceX公司可回收運(yùn)載火箭“獵鷹9號(hào)”的首次成功回收，引起了轟動(dòng)。做了二十年航空航天研究，中山大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)陳洪波對(duì)此也十分關(guān)注。“這些年，中國(guó)商業(yè)航天發(fā)展飛快，新公司如雨后春筍般冒出來(lái)，但研究火箭回收的很少?！?/p>

2019年，“獵鷹9號(hào)”來(lái)回飛了近10次。陳洪波意識(shí)到，“火箭回收技術(shù)是必須攻克的一關(guān)”。他在中山大學(xué)組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，瞄準(zhǔn)其中關(guān)鍵一環(huán)進(jìn)行布局——研發(fā)一套智能算法，讓火箭在無(wú)動(dòng)力返回、無(wú)人工干預(yù)的情況下，能自主、實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路徑，精準(zhǔn)回到預(yù)定落點(diǎn)。

也就是說(shuō)，要為火箭裝上能自動(dòng)回家的“大腦”?；鸺龔陌俟锔叨雀咚傧聣?，與大氣劇烈摩擦后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線(xiàn)性擾動(dòng)，飛行狀態(tài)瞬息萬(wàn)變。算法要在極短的時(shí)間內(nèi)、在極不穩(wěn)定的環(huán)境中，規(guī)劃出一條精準(zhǔn)的返程路線(xiàn)。

“火箭規(guī)劃返程路線(xiàn)需要一秒鐘計(jì)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(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院副教授、型號(hào)副總設(shè)計(jì)師王勁博說(shuō)。

在火箭返回途中，路線(xiàn)該怎么走、姿態(tài)該怎么調(diào)……種種問(wèn)題，都得由這套算法說(shuō)了算。但棘手的是，現(xiàn)有的箭載計(jì)算機(jī)算力有限，“跑”不動(dòng)這套需要實(shí)時(shí)計(jì)算的復(fù)雜算法。

“在航天領(lǐng)域，計(jì)算處理器件往往選用主頻相對(duì)較低的計(jì)算機(jī)，因此計(jì)算能力有限，只能跑一些相對(duì)簡(jiǎn)單的算法。”王勁博解釋?zhuān)@一方面是因?yàn)楹教炱鲀?nèi)空間“寸土寸金”，如果往加強(qiáng)算力的方向發(fā)展，就意味著計(jì)算機(jī)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(qiáng)輻射空間里，計(jì)算機(jī)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(cuò)、指令紊亂，這對(duì)火箭回收而言無(wú)疑是個(gè)硬傷。

理想狀態(tài)下，等未來(lái)有了更好的芯片，也許能解決這個(gè)難題?？墒牵酒?jí)成本高、周期長(zhǎng)，同時(shí)算法還在不斷迭代，很難等到完美適配的那一天。

“有沒(méi)有其他路子？”陳洪波和團(tuán)隊(duì)反復(fù)碰撞，終于找到了新的突破口——與其讓硬件來(lái)“托住”算法，不如通過(guò)算法創(chuàng)新來(lái)彌補(bǔ)算力的不足。也就是要在算力相對(duì)有限的箭載計(jì)算機(jī)上，把“在線(xiàn)軌跡優(yōu)化制導(dǎo)”所需的高密度計(jì)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(gè)排隊(duì)。而他們所做的，就是把算法拆開(kāi)，讓不同的計(jì)算任務(wù)在芯片的多個(gè)核心上同時(shí)運(yùn)行，相當(dāng)于把“單行道”變成了“多車(chē)道”。

他打了個(gè)比方：“好比景區(qū)原本只設(shè)一個(gè)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(kāi)幾個(gè)通道，大家就能同時(shí)進(jìn)，效率自然就上來(lái)了?！?/p>

中山大學(xué)自主研制的“慎思二號(hào)D”(SS-2D)箭載制導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

為未來(lái)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(hào)D”箭載制導(dǎo)計(jì)算機(jī)100%采用國(guó)產(chǎn)元器件。王勁博介紹，近年來(lái)，國(guó)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(jì)算提供了硬件基礎(chǔ)。

有了這個(gè)底子，團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)調(diào)度、任務(wù)同步等底層架構(gòu)上精雕細(xì)琢，確保多個(gè)核心跑完后能把結(jié)果準(zhǔn)確拼起來(lái)。

2022年，歷經(jīng)數(shù)次地面仿真實(shí)驗(yàn)后，這套算法首次搭乘運(yùn)載火箭，在真實(shí)飛行環(huán)境中試驗(yàn)。不過(guò)，這一次雖然算法全程實(shí)時(shí)計(jì)算，但不實(shí)際“指揮”火箭。

數(shù)據(jù)傳回后，團(tuán)隊(duì)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，算法表現(xiàn)不錯(cuò)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。陳洪波心里有底了。

繼續(xù)一次次調(diào)試、一輪輪驗(yàn)證……最終誕生的“慎思二號(hào)D”箭載制導(dǎo)計(jì)算機(jī)集成了團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的在線(xiàn)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(hào)”為非飛行試驗(yàn)計(jì)算樣機(jī)，“D”表示該箭載計(jì)算機(jī)基于國(guó)產(chǎn)DSP處理器。

要驗(yàn)證算法是否真的管用，必須讓它到真實(shí)的飛行中接受檢驗(yàn)。2024年初，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)與中科宇航敲定合作，將“慎思二號(hào)D”裝上了力鴻一號(hào)試驗(yàn)火箭。這一次，算法進(jìn)入控制回路，在百公里級(jí)高度飛行剖面條件下實(shí)時(shí)決策、實(shí)時(shí)指揮。

在1月12日的發(fā)射試驗(yàn)中，自力鴻一號(hào)返回至距地面70公里開(kāi)始，“慎思二號(hào)D”開(kāi)始執(zhí)行在線(xiàn)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(diǎn)與目標(biāo)落點(diǎn)僅有數(shù)百米誤差。

百公里返回落點(diǎn)精度達(dá)到百米量級(jí)，這是一個(gè)突破性的成就。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)飛行條件下的實(shí)時(shí)制導(dǎo)需求。

“在復(fù)雜系統(tǒng)工程中，國(guó)外傾向于通過(guò)快速試錯(cuò)來(lái)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(shuō)，而中國(guó)航天受“兩彈一星”精神影響深遠(yuǎn)，形成了嚴(yán)密的“歸零”機(jī)制，如果失敗，就要徹底找到問(wèn)題根源并解決，才能復(fù)飛。

盡管成本高、周期長(zhǎng)，但穩(wěn)扎穩(wěn)打，具有高可靠性。陳洪波介紹，在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步算法改造后，“慎思二號(hào)D”能適配多類(lèi)運(yùn)載火箭和試驗(yàn)飛行器，可為我國(guó)火箭發(fā)射像飛機(jī)一樣常態(tài)化、高頻次“航班化”，低成本進(jìn)入空間技術(shù)發(fā)展提供有力支撐。

種下一批有“實(shí)戰(zhàn)”經(jīng)驗(yàn)的種子

運(yùn)載火箭可回收技術(shù)如今已是商業(yè)航天公司競(jìng)相追逐的目標(biāo)，在這個(gè)熱門(mén)的研發(fā)賽道，高校有什么競(jìng)爭(zhēng)力？中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)給出的答案是有組織的科研。

項(xiàng)目啟動(dòng)之初，團(tuán)隊(duì)就建立了“總師團(tuán)+專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)副總師+項(xiàng)目辦”的科研組織體系。

“過(guò)去的科研模式以單點(diǎn)突破、分散作戰(zhàn)為主，如今我們構(gòu)建了以工程目標(biāo)為牽引、多學(xué)科深度協(xié)同的新型攻關(guān)模式。”中山大學(xué)前沿交叉創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)、型號(hào)辦副主任郭漣漣說(shuō)。

中山大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院先施展了一套“易筋經(jīng)”——打破學(xué)科壁壘，注重學(xué)科交叉，將航空航天、計(jì)算機(jī)、控制、電子信息等多個(gè)學(xué)科專(zhuān)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(xué)就讀計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，后修讀飛行器設(shè)計(jì)，兩個(gè)領(lǐng)域都懂?！叭绻欢?jì)算機(jī)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(lái)的算法也用不上?！标惡椴ㄕf(shuō)。

力鴻一號(hào)騰空而起，揚(yáng)塵漫天。160公里外，中山大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院博士三年級(jí)學(xué)生張嘉凱仰著頭，看著那道火光越來(lái)越小，最后消失在天際線(xiàn)。

當(dāng)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(hào)D”?？刂苹鸺珳?zhǔn)返回，其中就有張嘉凱寫(xiě)下的代碼。這是他第一次參與大工程科研，就擔(dān)任了型號(hào)制導(dǎo)算法工程師，負(fù)責(zé)返回段制導(dǎo)算法設(shè)計(jì)。

這是中山大學(xué)的一項(xiàng)創(chuàng)舉：在有組織的科研中探索新型育人模式，聘任學(xué)生為重要崗位的工程師，讓學(xué)生在真實(shí)的“戰(zhàn)場(chǎng)”上淬煉真本事。

2024年10月，中山大學(xué)專(zhuān)門(mén)舉辦了一場(chǎng)聘任儀式，方正的“大紅本”聘書(shū)被鄭重地遞到他們手中。受聘的學(xué)生來(lái)自數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料、航空宇航科學(xué)技術(shù)等不同專(zhuān)業(yè)方向。圍繞各自的論文主題，他們?cè)陧?xiàng)目中驗(yàn)證算法、創(chuàng)新研究，促使自己做出來(lái)的課題能夠落地應(yīng)用。

“高校能做的，不只是攻克一項(xiàng)技術(shù)，更是種下一批種子?！标惡椴ㄕf(shuō)。

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