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    寻找通向太空“罗马城”的最佳轨道

    时间:2020-12-10 08:01:37 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      公元五世纪前后,西哥特王阿拉里克历经近15年屡败屡战终见胜利曙光,当他手下的将军问“不知走哪条路去罗马”时,阿拉里克仰天大笑喊出了那句千古名言:All Roads Lead to Rome(条条大路通罗马)。在浩瀚宇宙中,也一直有一个“罗马城”不断牵引着人类探索的步伐。尤其是进入21世纪,随着航天科技的飞速发展,曾经可望不可及的太空“罗马城”已就在前方,但路在何方?哪条道路是最佳途径?
      中国科学院空间应用工程与技术中心高扬研究员用这样一个关于古罗马谚语的典故阐述了他自己的研究工作。他还展示了一幅人类未来的太空飞行图景:人类居于木星系统,欲前往水星探险,他们驾驶等离子推进飞船,一路经过地球、金星、小行星,最终到达水星。(见右图)
      人生路:拉开太空探索新征程
      20世纪中叶,世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射升空,人类迈出了太空征程的第一步,此后美国“阿波罗号”、中国神舟五号等各国载人飞船、地球卫星以及深空探测器相继发射升空。浩瀚宇宙里总有一幅壮锦吸引人类不停地去探索。受人类航天事业发展所鼓舞,从最初对航天懵懵懂懂的爱好,到成为深度探索通向太空道路的研究员,靠着探寻宇宙空间奥妙执着的热爱和坚持,高扬的太空探索人生之路就这样展开。
      高扬,1997年7月毕业于北京航空航天大学自动控制系,获学士学位;2000年7月获中国科学院中国遥感卫星地面站(现为中国科学院对地观测与数字地球科学中心)硕士学位。千禧之年,怀抱着对世界航天知识强烈的求知欲,年轻的高扬随着国内涌起的留学潮跨出了国门,在美国密苏里大学机械与宇航工程系全额奖学金的资助下攻读博士学位,并在毕业后留校1年从事博士后研究。在国外深造的五年(2000-2005)时间里,他有机会广泛而深入地接触国际前沿航天技术知识,为之后回国继续从事相关领域研究奠定了基础。
      2005年,高扬踏上了回国征程,成为中国科学院光电研究院/中国科学院空间科学与应用总体部(挂靠光电研究院)副研究员。2006年起,他在中国科学院研究生院(现为中国科学院大学)兼职授课。2011年,高扬受聘为中国科学院空间应用工程与技术中心(原中国科学院空间科学与应用总体部)研究员,同年起被聘为宇航动力学国家重点实验室兼职研究员、中国载人航天工程应用系统主任设计师。肩负着科研、工程与教学的多重任务,高扬开启了他太空探索的另一段崭新征程。
      科研路:电推进飞船寻找“行走太空”最佳轨道
      回国后,高扬踏上了独立自主的科研路。他承担了国家自然科学基金、中国科学院国防创新基金、中国科学院知识创新工程、国家“863”计划、载人航天工程资助的若干科研项目,开展的研究工作包括深空轨道优化设计、电推进卫星平台的导航、制导与控制、航天器精密定轨、卫星编队轨道控制、空间新型推进方式以及基于光电载荷的轨道姿态确定等。他的系列研究成果发表在Journal of Guidance Control and Dynamics、Journal of Spacecraft and Rockets、Acta Astronautica、Acta Mechanica Sinica、力学学报等航天飞行动力学领域国内外核心期刊上,他也因此获得2008年度首届中国科学院卢嘉锡青年人才奖,入选中国科学院青年创新促进会,并在2009年首届、2011年第三届全国深空轨道设计竞赛中获得冠军。
      高扬的研究工作是从连续小推力空间最佳飞行轨道的探索开始的,该问题至今仍是极具挑战的课题,而这又与电推进(或称等离子推进)技术的发展与应用密切相关。电推进与目前传统的化学推进不同,它利用电能将推进工质电离形成等离子体,并产生电磁场加速等离子体使其高速喷射从而获得推力。电推进的效率高出化学推进一个量级,相比之下可以节省大量推进工质,成为各航天大国21世纪重点发展的航天技术。早在2001年,高扬在美国深造期间就曾系统地开展了连续小推力轨道优化和电推进任务设计的研究工作。2005年高扬回国时,我国在电推进技术应用方面的研究与美国还有较大差距,还没有电推进航天器的发展计划。作为刚毕业不久的博士,高扬一度难以获得科研基金支持。但他始终认为,电推进代表了先进的可以长期连续推进的工作方式,随着电推进技术本身的不断发展以及空间电源技术的突破,尤其是大功率太阳能与核能电源甚至有望成为太阳系载人飞行推进技术的唯一选择。正是这种观点一直激励着他坚持这方面研究。高扬说:“实际上,钱学森先生早在1963年出版《星际航行概论》一书中就预言电推进能够承载更多有效载荷,并指出电推进产生的连续低推力轨道的计算比大推力轨道要复杂。”为了纪念钱学森先生诞辰一百周年,他受《力学学报》编辑部的邀请,攥写了综述论文《电火箭星际航行:技术进展、轨道设计与综合优化》(发表在2011年第43卷第6期),旨在较为全面地介绍电推进技术应用于星际航行的基本内容与实现途径以及应用于载人深空飞行的设想。
      电推进技术应用的核心问题之一是空间轨道优化设计。为了推动我国空间轨道设计的研究工作,高扬与中国力学学会以及国内同行一起为全国空间轨道设计竞赛(2012年前为深空轨道设计竞赛)付出了诸多努力。该竞赛旨在寻找空间飞行全局最优方案,而且可以非常有效地检验各种优化方法的合理性与实用性。2009年第一届全国空间轨道设计竞赛由清华大学主办并负责命题,之后每届竞赛由上届竞赛获得冠军的团队命题。截至今年,在已举办的四次竞赛中,高扬带领的团队获得两届冠军,因此他也成为了2010年第二届、2012年第四届全国空间轨道设计竞赛命题的主要技术负责人。他说:“希望通过竞赛不断提升我国空间轨道设计能力,也希望我国这方面的研究工作在国际上可以逐渐摸索出自己的研究思路,并逐步获得原始创新的研究成果。”
      高扬说:“对于空间轨道(特别是连续小推力轨道)优化设计问题的研究让我更为深刻地理解了多方面知识,比如最优控制理论、常微分方程数值解法、动力系统理论、非线性规划、同伦延拓、动态规划、微分几何、组合优化等概念。这些知识的积累也让我逐步具备了触类旁通的能力,并将研究内容逐步拓展到电推进航天器导航、制导与控制、航天器轨道确定技术、洛仑兹力编队飞行等。”然而,他也坦言:“从2005年回国一路走到现在并非一帆风顺,遇到过很多挫折,也曾屡败屡战,但幸运的是一直没有放弃,所以现在逐渐开始领悟到通往太空‘罗马城’的条条大路”。
      未来路:奔向太空罗马城
      对于下一步的计划和安排,高扬表示首先要脚踏实地做好目前正在承担的本职工作。与此同时,“我希望在空间轨道研究领域继续工作,包括系统地建立空间脉冲或连续推力转移轨道优化设计的通用方法体系,并应用于深空飞行轨道、人造地球卫星轨道、卫星相对运动控制等具体问题中去。同时,我希望有机会参与我国电推进深空探测的科研项目。”
      当谈到如何开展研究的话题时,高扬特别强调:“研究工作需要注重理论联系实践,要坚持发展自己的研究思路,不断开拓与创新,参考国外文献,但不盲从;另外,研究工作不能为了满足各种定量指标而开展,做科研应追求淡泊以明志,宁静以致远!”
      除了专业研究,高扬还希望今后能够抽出时间攥写航天科普文章,将太空飞行以及其背后的数学物理知识普及给大众。“近年来航空航天技术越来越被人们所了解和热爱,但太空探索领域里许多‘高高在上’的高新技术如何化身为‘落入凡间的精灵’飞入寻常百姓家为大众所熟知,还需要一条漫长的道路要走。”
      “条条大路通罗马”,为更快、更顺利地奔向心中的太空“罗马”之城,高扬表达着他不懈探寻的愿望……正如同宇宙太空所带给人的无限遐想一样,他谈起这些话题,也总是让人心驰神往。
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