“神舟”飞船女设计师王南华

 

　　王南华，1964年毕业于中国科大自动化系。神舟飞船GNC系统(制导、导航和控制系统)副主任设计师。北京自动控制研究所研究员。

主持人：各位网友，大家好！欢迎来到搜狐嘉宾聊天室。

　　今天请到的嘉宾是来自中国空间技术研究院的航天员王南华老师。王老师曾经从1992年底开始一直到现在参与过从神舟一号一直到神舟六号飞船的研制、试验和发射。

　　我们都知道现在神舟六号还在天上继续翱翔，可以说神舟六号的成功发射带动了一股飞船热，中国包括很多关注中国的其他国家都在关注这个话题。您能不能首先给网友介绍一下，您主要是负责飞船的哪一块的工作？

 
　　王南华：我们主要是负责飞船的造导导航与控制。导航就是飞船自己要知道每时每时它的位置和速度，造导就是从现在知道的位置要到达他预期的位置的一种控制规律、一直造导率的设计。控制就是比较广泛一些，包括自动控制、帆板控制，以及在这个过程中的姿态控制，都属于这个。所以实际上造导导航与控制是指发射一直到返回整个飞船的运动。飞船这个航天器的运动控制就是由造导导航与控制系统来完成的。

　　主持人：飞船实际上是一个运动的载体，增加了不可预知性，我们为了把它控制在一个理想的参数范围内，怎么有效把它控制地地面保持联系，必须要采取各种各样的技术手段，这个手段是不是可以叫做造导？

　　王南华：造导、导航、控制三项不可分离。

　　主持人：这三者的区别能不能给简单介绍一下？

　　王南华：我们在发射段和返回段，因为我们发射段造导导航与控制系统主要是完成万一在运载火箭发生故障的情况下，我们需要飞船连同航天员能够到安全地带尽快的逃离危险区，这就需要知道自己每时每时在什么位置，这样就需要一个导航需要，要知道自己的位置和以及速度，这就是导航系统和姿态测量系统。同时要航天员要逃逸到安全区，这就需要一个造导，落到我指定的需要，这个就是造导。

　　返回段我们从飞船脱离轨道开始，一直要到我们指定的内蒙古的主着陆场，在这个过程中飞船自己每时每刻的位置和速度和姿态都要知道，这样自己就要有一个测量系统、计算系统，知道我每时每刻在什么位置上，以什么样的速度在这样的位置上，我要控制到我一定的落点，我怎么样达到那个落点呢？我们就有一套的造导规律，我能够保证既准确达到落点，而且要在这个过程中不至于波载太大，就是让航天员能够尽量舒服的到达落点上，这就是有一套造导率。首先知道自己在什么位置，然后我离那个位置有多远，怎么样是最好的方式? 才讲的返回过程造导。

主持人：造导主要是通过跟踪、卫星的监测保持跟地面的联系，然后通过造导系统控制正常的运转。一开始第一步往天上发射的时候，我们知道有一个逃逸系统，这个能不能介绍一下？

　　王南华：逃逸系统运载火箭根据运载，如果说发生问题的话，它在不同的故障情况下做不同的逃逸的模式，当他一旦发生逃逸以后我们飞船就要想办法把航天员和返回舱拔出来，脱离危险区。我刚才指的就是说，把它拔出来以后我怎么样尽快的落到安全区，而且落到我们有搜救人员的地区去。

　　主持人：通过什么样的手段达到这个目的呢？

　　王南华：我们首先自己有一套导航系统，自己能够测量自己这时候在什么位置，大概飞行到多少的高度，另外我们有不同的预定模式，在什么时候什么样的一种模式、一种逃逸的策略，这是不一样的。这套导航测量的设备和一套导航计算，然后我们根据不同的策略，在不同的模式下实行不同的逃逸的控制。

　　主持人：就是说从神舟一号到神舟六号实际上逃逸系统一直是在不停的研发？

　　王南华：不停的改进过程中。因为逃逸系统是在运载上，他们看到有故障了，发出逃逸指令，我们是负责逃逸后的飞船的控制。我们是不断的把逃逸的救生控制完善，我们做得越好希望越不要用到。从神舟一号到神舟六号，因为运载每次都走得很漂亮，所以逃逸的功能和我们逃逸的控制始终没有用。虽然我们在不断的把它完善，但是也总是希望最好不要用。

　　主持人：实际上这个措施是防患于未然的措施，但是我们不愿意看到使用。

　　能不能讲讲逃逸后的飞船控制，当初是怎么设想能达到一个真正出现紧急情况之后人们怎么疼痛成功的控制飞船？

　　王南华：这个是这样的，逃逸是在不同的阶段有不同的情况，比如说在低空和高空是不一样的，也就是说在大气层内和大气层外如果发生故障是不一样的，大家可能看到在发射的过程中，在脱离大其层有一个罩，开始是带着罩的，等飞到一定高度这个罩就分离了。我们根据不同的情况，有些情况在大气层内，我们是专门有运载上的逃逸火箭，把飞船的返回舱拔出来，然后我们控制返回舱，让返回舱落到安全地带。在大气层外面的时候也分不同的情况，因为那个罩已经分离了，这样我们可能把飞船跟运载分离，然后我们尽量控制到我们? 预定的几个落点去。

　　如果说飞行高度已经很差了，就是离路轨差不多的时候发生故障，我们可能跟运载分离以后我们自己点点儿火再推进一下不就能如轨了嘛，所以地面从入轨中间愤恨多很多种模式，这样就达到不同的情况不同的策略控制。

　　主持人：也就是说神舟一号到神舟六号特殊情况从来没有出现过？

　　王南华：对，但是我们一直做的就是从神舟一号到神舟六号一步一步完善的，虽然这个逃逸大家都不希望发生，但是我们必须要做。我们做飞船的都是这样说，假如我是航天员，所以我们就是把航天员的安全作为第一要求去考虑。逃逸在咱们国家是相对困难的，为什么呢？像美国和苏联，像俄罗斯它的疆土比较宽，所以它在逃逸的土地上布置很多安全逃逸的落区，另外他们有很多的直升飞机，像美国海军有很多船在那搜救，尤其是在初期就是这样的。所以美国在开始的时候有很多海上的救生员，咱们国家目前的情况，疆土东西向没有? 以有一些落区在海上，搜救船只可能不如他们那么多。我们就不可能说你落到哪儿就搜救到哪儿，必须是我们安排的搜救地方，所以就要求我们指到哪儿打到哪儿，而逃逸时刻是随机的，所以我们要想办法，不论在什么时候发生逃逸我们都能落到指定的地方去。所以每时每刻一旦要逃逸我们就要计算我在什么地方，我离哪个最近，我用什么办法落到离我最近的地方去，这个大家还是刻苦的攻关，设计了一种根据咱们国情的需要有一些自主创新的基础在里面。

　　主持人：也就是说落点的成功率能够达到多少？假设一旦发生这种情况了。

　　王南华：应该是比较高的吧。

　　主持人：一个是靠不断的实验积累的经验。

　　王南华：对，地面我们做了很多的实验，但是毕竟还是这样我们不希望发生，实际上也没有发生。

　　主持人：逃逸后的飞船控制这个概念是从什么时候开始具备的？我们知道最开始神舟一号实际上是无人的，到一个人，后来到现在的两个人，逃逸后飞船控制的概念是不断的丰富的，这个过程是怎么考虑的？

　　王南华：实际上神舟一号的时候，这个大约比较成型是从神舟三号开始的，因为我们当时准备神舟五号上人，所以必须在无人的时候就应该把这个系统做完善了，所以在神舟三号的时候逃逸控制，包括运载的整个系统，包括飞船的逃逸控制，都已经比较完善了。

主持人：刚刚您介绍的主要是发射阶段，有很重要的逃逸后的飞船如何控制，发射阶段是有一定危险系数的阶段，另一个是回来。现在神舟在天上飞，我们能不能说一些运行之中的问题。运行之中导航与控制主要包括哪几个方面？

　　王南华：运行过程中最经常性的就是飞船运行姿态的控制。飞船运行姿态我们在常规情况下我们设计了很多种工作的控制模式，但是一般性的控制模式就是三轴对地，就是三轴稳定的模式。三轴稳定就是说这个飞船在天上飞，可能电视里面大家都看到了，轨道舱在前面，实际上每时每刻保证，大家看到航天员前面有一个望远镜，每时每刻是对地的，所以绕着地球转的过程中永远是指向地的。
我们称之为，比如说飞船有抬头、低头，这个方向叫俯仰，如果前面方向有偏的叫偏航，如果绕着这个轴转的话就是滚动，所以我们要控制这个角? 的范围内。所以大家从电视画面可以看到，里面基本上不动似的，实际上在围绕地球转的过程中，这三个轴每时每刻我们都控制角度。

　　因为你在天上飞行的过程中一定要绕地球转，再一个有一些大气的阻力，还有各种各样的干扰，航天员的运动，如果没有控制，实际上转速越来越大、角度越来越大，就会翻个儿，我们每时每刻都是控制在非常非常小的范围内，这个控制是靠我们推进系统的发动机。飞船安了很多种发动机，在正常运行的时候用推进舱的，所以这样控制姿态是一个对地向，航天员看着的是对地的。三轴稳定，三轴的角度，相当于人摆了一个非常好的姿态不动。

　　主持人：如果保证了三轴对地稳定就保证了飞船以正常的姿态运转？

　　王南华：对，不管怎么飞，都是某一面指地心的。

　　主持人：什么情况下会出现三轴的不稳定，比如俯仰、偏航、滚动，一般什么情况下会出现这三种情况？

　　王南华：我们的任务是，按我们预计的飞行轨道，为什么这次航天员要做一项实验呢，就是因为有了航天员以后总是会动，可能会产生一些力，这样会对飞船产生一些干扰。其他有一些大气的干扰，我们都有模型，都能计算。我们的控制规律，包括我们发动机的能力能克服这个。航天员的干扰我们事先也都有一些预计，但是还是希望航天员在天上做一些实验。

　　尤其这艘船，如果航天员在指挥舱运动的话，离指心比较近，相对比较小。如果跑到别的舱以后，就离指心比较远。所以他们对穿舱实验也是可以得到一些数据。经过这几天的实验，我们的控制能力能够保证飞转的稳定，但是也可以了解到什么动作达到什么效果。比如说撞到壁上就会产生什么，应该我们的设计比较全面的，而且在不同的干扰情况下我们有不同的控制。

　　主持人：也就是说航天员在舱内正常的活动，是不影响飞船的稳定性的？

　　王南华：对，是有干扰力产生，对我们的姿态有一定的影响，但是完全在我们控制能力之内。

　　主持人：您刚才说返回舱是没有的。

　　王南华：同样的动作返回舱可能小一些。

　　主持人：但是轨道舱影响稍微大一些，但是目前这个问题能够解决。

　　王南华：在我们的能力范围之内。

　　主持人：这是姿态问题。

　　王南华：对。

主持人：比如说轨道控制这块能保证正常的运转工作吗？

　　王南华：轨道这块也是我们造导导航与控制系统参与比较重要的，因为刚发射上去是一个椭圆轨道，近地点是200公里，远地点是347公里，最后按照我们返回的时候希望是远轨道，所以在第五圈的时候我们进行了变动，变成了347公里的远轨道。这个变轨是我们的系统一块完成的，实际上我们要在适当的地点，就是运行到适当的位置上要点火，产生一个适当的相当于一个速度增量，就是把原来的速度提高一部分，这样轨道可以变成远轨道，这个就叫变轨。

　　另外后面还要实行轨道维持，随着飞行轨道总是要衰竭，这样就要把轨道抬高一点，用稍微略小的推力点火短一点的时间，又推高一点。就利用地面把现在的轨道数据告诉我们，另外再把想要的轨道，需要产生多大的一个速度增量或者说点多长时间告诉我，我就可以控制，比如变轨控制大发动机工作比较长的时间。我们在变轨的过程中就要测量速度增加了多少，到达了预定的速度增量我就把它关掉。另外在变轨过程中，因为推力比较大，要产生比较大的摇动，就要稳住，在变轨的过程中不要让它晃得非常厉害，我想这个可能大家能理? 道维持我们实际上是实行用几个中等的发动机，推力稍微小一点。

　　我们自己在船上有一套轨道计算系统，我自己每时每刻能知道我在什么位置上，但是轨道的确切数据是地面测轨系统把轨道的数据告诉船上去。后面就是我们自己每时每刻计算了。

　　主持人：就是说影响飞转姿态的主要因素，除了刚刚您说的稳定性之外还有什么影响速度的因素呢？

　　王南华：稳定姿态实际上我们这个控制系统有一个姿态测量系统，要测我现在的姿态是什么样的，跟我要求的姿态差距多大，然后我有一个控制的系统，能够稳在我要求的范围内。主要保证测量的精度够，另外控制正常的运行，还有按照我们设计的干扰率范围之内。

主持人：我想大家可能都挺关心飞船的速度问题，目前的速度是怎么制定的？绕地球一圈是90分钟。

　　王南华：飞船的速度是第一宇宙速度。

　　主持人：飞船在运转的时候肯定需要能源供给，我们飞船主要是太阳帆板，这个是怎么控制的？电源的问题。

　　王南华：电源是这样的，飞船自己有一套电源系统，有很多的部分，里边最主要的主电源在运行过程中主要是靠太阳帆板太阳翼，这个大家在电视看是很条件的。但是太阳翼只有一个轴，在天上飞的时候太阳几天之内在一个方向，所以这样飞船有一段时间能够见太阳，这样大家可以想像在地球上太阳在这儿，一段时间是阳照区，另外一段时间是阴照区。
阳照区的时候太阳帆板接收太阳以后能产生能源，这段时间就要尽量的让太阳帆板每时每刻的帆板的面能够垂直于太阳光，也就是太阳光线要跟太阳帆板的线尽量的接近，这样发动能力? 船在围绕地球转的时候，如果帆板不动的话就不可能很好的接收太阳光。所以控制帆板每时每刻能够跟踪太阳，怎么发现的呢？我们在帆板上装了一些太阳跟踪器，只要偏离我们预定的方向，控制帆板在合适的角度转动，这样就每时每刻跟踪太阳了。在阴照区的时候就要给电池充电，就是一直这样，阳照区充电，阴照区充电。我们阴照区也是围绕地球转，但是因为见不到太阳光，所以要靠电池充电。所以太阳帆板的控制也是飞船能工作的保证。

　　主持人：就是说阳照区蓄好点以后能力保证阴照区够用，这个有没有统计过，多长时间或者能飞多久？

　　王南华：我们只要对太阳帆板控制好，就保证在阳照区能蓄上点，就像手机电池似的，然后到阴照区的时候就会充电，这个都是计算好的。按我们这个轨道阳照区多长时间，充电能力大概多少，到阴照区的时候就可以放电。当然我们要是太阳帆板控制不好，在阳照区充不了点就不行。

　　主持人：我们看电视太阳翼是折叠的，很大的，是用什么材料做的？

　　王南华：太阳翼折叠的原因是因为在地面的时候太长了，也很重，在天上因此失重所以展开是没有关系的，带地面一般是折起来的。但是看到在我们推进舱的时候每边是40，如果在地面展开的时候要有专用的设备把它掉起来，使它不要变形。太阳帆板做好也是很高的技术。

　　主持人：太阳敏感器保证和太阳随时有联系，能吸收储存太阳能。

　　王南华：太阳帆板上的传单器是转换产生电流，一部分供给所有的设备，敏感器有信号，传给控制系统，我控制系统有一个指令让帆板转动。

　　主持人：就像搜索器。

　　王南华：就相当于我们控制系统里的一个眼睛，这个眼睛专门看太阳。看着以后知道太阳在什么位置上，就发指令，这样让帆板转动。
主持人：在运转过程中，如果说导航与控制主要是三方面，一个是姿态，一个是轨道，还有太阳帆板，说完运转之后，可能要说回来，回来这块是怎么控制的？

　　王南华：回来首先要离轨，就是离开原来运行的轨道，我们首先要进行姿态的调整。先把姿态调，调一个方向以后轨道舱分离，轨道舱分离以后再把姿态调，原来推进舱在后面轨道舱在前面，把它倒过来，让推进舱在前面，这个时候再一点火就减速。因为原来推进舱在后面，发动机在后面点的时候是增速，把它倒过来，如果一点在前面点的时候就减速了，这个时候速度失量就往地球落，速度不能维持原来的轨道算的速度，这个相当于要制动。
所以离轨包括两次的姿态调整，还包括制动，制动也是点了大发动机，分左右。我们就要控制? 落点是要求非常准的，我就要求制动到底制动多少，就是速度减多少，另外要控制速度制动的方向，所以在制动这但也是非常重要的。所以我们在制动过程中是有很多种措施的，如果一重故障怎么样，两重故障怎么样，能够保证在两重故障情况下制动成功，一旦制动以后飞船就要往下掉了，这是离轨。

　　离轨从制动点到落区一万多公里，我们在这段时间就要稳定飞船，首先要滑行，滑行以后到推进舱和返回舱分离，大约是在150公里左右，分离完以后光剩返回舱。原来以前都是推进舱的发动机，这回就启用返回舱的发动机了，返回舱自己也带有发动机，因为马上要载入大气层了，要调到一个合适的角度，能够以合适的角度载入大气，使得原来我们设计的迎风面是冲着大气的，背风面、迎风面都设计好的。进入大气以后，由于大气的阻力很大，所以这段时间我们采用了叫做升力控制，运用物体在大气里面有一种升力，我们转变不同的姿可以达到这样几个，一个是使得波载最小，还有使得落点最准，因为我们从神舟一号一直到神舟五号的落点进入都达到了世界先进水平，主要是导航和造导率的设计，在这里边也有很多我们自己自主创新的技术，包括神舟一号第一次的返回可能就比国外最开头返回的落点就要高，从目前来说也是达到世界先进的水平。

　　这是整个在返回过程中的离轨控制和返回大气层的控制，这段也是最重要的。尤其是有一段，从大约100多公里到40公里的时候，每次飞控的时候有一段进入低障区，就是所有的信号都消失了，我们就非常紧张这段时间。因为一进入大气层以后，看到窗外都是火球，必须迎风面防热很强，能够耐住这个温度。这样要求我们在这段时间另外两个轴的控制要稳定，还有一个轴要适当的滚动，能够使波载最小，而且在很长一段时间，从载入大气层开始是我们最重要的一段的时间，保证落点的准确和保证安全返回。

　　主持人：就意味着飞船可以基本上可以安全返回了。

　　王南华：对。到最后有一个开降落伞，因为到10公里以后我们降落伞就工作了，就使得航天员落到安全区。

　　在降落伞张开以后有风的影响，所以要飘一段，所以开始的时候地面要有气象预报，大概风有多大，我们要提前把我们的量修正进去，考虑风以后要让降落伞落在最好的地方。所以有的时候电视里来讲跟气象有关系，就是这个原因。发射的时候跟气象也有关系，回收也是这样。如果在条件允许范围之内，我们要考虑风速往那边飘，我们提起就得把这个量修正进去。

　　主持人：在保证落点的同时返回的时候是为了考虑姿态，姿态是怎么口之的？比如返回舱到底是什么样的姿态落定，这个是怎么控制的？

　　王南华：落地的姿态是降落伞控制，降落伞落地以后有一个减旋的控制，有一个降落伞系统。

主持人：神舟五号直播的时候我看好像是侧着，在落地的一瞬间好像一团火球，那个是什么原因呢？

　　王南华：因为降落伞在降下来的时候速度不够慢，怕冲击比较大，所以在一定距离的时候反点火，一点火再减速，使落地的速度慢了。

　　主持人：您刚才说离轨阶段。

　　王南华：我们整个系统不光是离轨阶段，整个系统是容余，万一发生故障，如果有一个故障，应该整个系统性能仍然维持原来不变完成所有的任务，如果有两个故障也应该能保证航天员安全返回，所以包括刚才讲的全过程都是这样的，刚才讲的制动是非常关键的，包括制动的可能容余的考虑更多一点，因为一旦制动离开轨道以后时间就有限，而且很难再回到轨道上，因为我们带的燃料也有限。

　　主持人：回来的时候主要是离轨一个是载入大气层是非常关键的，针对这三个阶段肯定会设计很多突发性的故障，一般如果出现故障都有哪些问题？比如飞船的返回阶段。

　　王南华：我们现在考虑的有一些故障，我们设计了很多种故障的模式，每个故障模式都有自动的降级的或者采用备份的一种措施，可以自主的诊断很多故障。这套系统有计算机，可以时时的来检测所有的设备是好是坏，这个设备里边比方说同一功能有五个设备，我用三个就够了，但是五个信号我都采集进来，比较哪个好哪个坏，自己就有很多能力。

　　另外，地面人也可以，如果他认为三坏了四是好的，实际上我地面建议用五，我也可以强制他用五。现在手段很多的，一方面我们系统自己有一些诊断，还有重组这套系统的能力，另外地面也有干预的能力，我强制他用另外一种地面希望的措施。或者他认为坏了我认为没坏，我们一般采取的策略是地面高于天上，但是绝大多数情况地面会认为天上是正确的。目前位置，神舟一号到神舟五号我们机会没有器用备份。

主持人：假设出现这种情况，地面要高于天上，天上航天员有没有自主处理突发性问题的权利？

　　王南华：也有。我先说控制系统，除了我刚才说的制动控制以外还为航天员设计了手动系统，航天员可以启动手动系统，我们是有限定的，都是事先有预案。大多数都是地面控制，但是还有一段时间地面是够不着的，有一段时间航天员自主。制动系统虽然有很多备份，万一所有的备份都坏了，可以启动手动控制系统，手动控制系统可以完成刚才我说的在轨段的姿态控制、轨道控制、太阳帆板的控制、离轨控制、返回控制，都可以，一直到最后的开伞都能完成，这个手动控制只是没有发射段的逃逸，因为发射段都是束缚状态，所以没有? 做，这个还是制动控制系统做比较合适。
从分离进入轨道以后，所有功能航天航天员的手动控制都能完成，只不过精度上差一点，但是所有的功能都能完成。而且我们的手动控制系统我们设计是比较好的，包括半制动，虽然是手动按纽，但是只要按按纽就可以了，还有一个是纯手动控制，航天员要搬手柄，还有潜望镜，潜望镜可以看到三轴的姿态。这个潜望镜也是我们做得非常好的设备。

　　主持人：观测的范围是非常大的？

　　王南华：一方面观测到船下面地表的图象，可以看到船下一定范围内的地表图象，根据地表的走向就可以判断飞船的方向。另外周边还可以捕捉到地球的边缘，如果一边高一边低了，就知道姿态怎么样了，或者一边前了一边后了，就知道什么姿态，然后控制操纵手柄就可以控制姿态。这个航天员我们在中心都有很多训练，他们在上边都做过训练，航天员的操纵性都是非常强的。但是手动系统一直作为备份，我们也不太希望他们能够使用，还是希望他们能够稍微轻松一点的执行自己的任务。但是如果需要他完全能够完成，保证航天员安? 题。

　　主持人：时间关系，本次聊天到此结束，非常感谢来自中国空间技术研究院的王南华研究员，谢谢您！

　　“神舟”飞船的女设计师。“神舟”号飞船拥有13个分系统，在各系统大部分由男性组成的飞船设计师队伍中，为数不多的几位女设计师的身影组成了一道亮丽的风景。王南华，去年10月步入花甲，是飞船制导、导航与控制分系统的副总设计师。