给“嫦娥”做“体检”

重庆大学ICT中心的科研人员正在给送检产品做CT。

从重庆大学的校园里,走出了两个本领非凡的“人物”,一个近距离观察胜过“火眼金睛”,一个远距离眺望盖过“千里眼”。近距离观察的,能一目了然地看出直径1米、长6米的大型铸件中,只有头发丝五分之一那么细微的缺陷;远距离眺望的,能每时每刻分毫不差地掌握几千里高空中飞行物的一举一动。

他们就是重庆大学研制出的工业CT系统和嫦娥卫星发射火箭飞行安全控制决策支持系统。这名字读起来有点拗口,因为他们一个在“嫦娥”的探月之旅启程前给她做过“体检”,另一个在“嫦娥”的探月之旅过程中给她当“随行医生”,所以又有人亲切地称他们为“‘嫦娥’的专职医生”。

“以高科技为高科技服务”

“第一次把事情做对,第二次把事情做好,第三次把事情做精”;“眼到、手到、心到,不良现象自然跑不了”……随处可见的警语,使重庆大学ICT研究中心看起来更像一个管理严格的企业。“我们是一个多学科交叉的研究团队,与其他很多研究团队相比,我们没有天时和地利,但我们最大的优势就是人和。”谈到三代人持续十几年研究取得的成果,中心主任王珏教授颇为自豪。

工业用计算机断层扫描成像(ICT)技术以二维断层图像或三维立体图像的形式直观、准确、清晰地呈现被检测产品内部结构、材料差别和缺陷状况,是当今世界上最先进的无损检测技术和质量评价手段。它是一项学科交叉、系统复杂、综合性强的高新技术,是保障重大产品和装备质量、避免产品质量缺陷引发灾难性事故,以及保障国家安全、公众安全和生产安全的有效技术手段和装备,广泛应用于航天、航空、国防、铁路、机械、石油等重要产业部门。工业CT设备不仅系统复杂、技术先进、性能优异,而且作用重要,发达国家一直将其作为敏感技术对我国采取出口限制政策。

为打破发达国家在这一领域的垄断和对我国的限制,重庆大学于1989年在原国家科委直接支持下,成立了ICT研究中心。

在火箭发射和飞行过程中,哪怕一颗螺栓出现问题,或者一个点火器出现千分之一秒的误差,都可能酿成重大事故。因此航天领域素有“一枚螺栓就是一颗火箭,一个点火器就是一颗火箭”之说。在成功掌握ICT技术之前,我国对螺栓、点火器等火工产品采取的最后一道质量保障措施,除必要的常规检测外,只有抽样打靶试验。但抽样打靶最大的问题,就是试验结果并不能百分之百地代表所有检测对象的状况。“抽样打靶发现一个产品有问题,即使剩下的可能全部合格,这批产品仍然不能用;如果抽样打靶没有发现任何问题,这批产品就会装上火箭,却担心‘问题’正好隐藏在没有被抽查的产品中。”一位航天专家曾经这样向王珏坦露每次决策时忐忑不安的心情。

1991年10月,重庆大学ICT研究中心成功研制出ICT试验装置,标志着我国已经在理论和实践层面掌握了ICT基本技术。1993年,中心又研制和开发出我国第一台实用工业CT样机。

这时正赶上我国承接了一项国际卫星发射业务。委托方因为此前在其他国家的一次发射失败,正面临着巨大的压力,要求我们“确保万无一失”。重庆大学ICT研究中心从1994年5月起,连续3个月检测了包括上述卫星在内的6颗卫星的3000多件火工品,最终,发射取得了圆满成功。国内外媒体记者在新闻发布会上问西昌卫星发射中心负责人:“中国采取了什么措施确保卫星成功发射?”负责人微笑着回答:“我们采取了必要的检测手段,保证了发射安全。”

1996年,重庆大学ICT研究中心研制出专用工业CT装备,用于航天火工品的全面质量检查与控制,迄今已完成包括“神舟”五号、六号、“嫦娥一号”探月工程等60多次运载火箭的数万件火工品的检测任务,为确保我国航天工程质量作出了巨大贡献。党和国家领导人江泽民、温家宝、贾庆林等亲临现场视察,著名科学家周光召、王淦昌、王大珩等,对此都给予高度评价。王大珩称赞这是“以高科技为高科技服务”的典型。

一个“做到了点子上”的研究项目

从西昌卫星发射中心到重庆大学已经十几年了,已经是重庆大学自动化学院副院长、博士生导师的柴毅教授,与发射中心的老同事们却越走越近。远的不说,光是去年四月到十月他就已经回了十趟发射中心。

有一次从西昌回重庆,火车还没到站,就接到一个让他赶回西昌的电话。下车、出站、买票、进站、上车,忙乎完了,给西昌卫星发射中心的朋友打电话。朋友问:“到家了?还顺利吧?”柴毅答:“差一点就到家了,不过我现在是在来西昌的火车上。”

所有的奔波,都是为了“嫦娥”。

柴毅研发卫星发射火箭飞行安全控制决策支持系统,并应用于嫦娥卫星发射的念头,源于他在西昌卫星发射中心的工作经历。1982年到1988年间,他亲身经历了五次卫星发射。我国第一次发射同步通信卫星时,柴毅还立了三等功。火箭发射后,发射中心的指挥员每时每刻都会得到关于火箭和卫星的各种关键数据。通过对这些数据的分析,指挥员可以实时准确地掌握火箭的飞行状态,确保科学决策。但火箭运行时,每一个时点都有上百个关键数据,要通过分析才能了解这些数据间的相互关联和影响。而火箭飞行速度可达每秒几公里,数据和控制都具有极强的实时性,需要极为敏捷的决策系统支撑。

2002年,柴毅开始谋划研发实现发射指挥数字化、虚拟化、自动化、智能化的飞行安全控制决策支持系统。2003年春节刚过,他就带着课题组成员来到西昌,与卫星发射中心的技术员一个一个商量研究项目。“你们要研究的正是发射场最关心的,这个项目真是做到了点子上。”西昌卫星发射中心专业领域专家充分肯定课题组的研究计划。发射场首先要确保发射升空后这一段的安全飞行,最关心的就是火箭发射后的飞行状态是否正常。指挥人员希望指挥系统能够帮助他们直观准确地判断发射前发射场和航天器的状态、发射起飞后火箭的飞行轨迹和飞行状态。

这个“做到了点子上”的项目很快得到了国家支持。2003年4月,项目申请国家“863”计划立项,3个月后即获批准。西昌卫星发射中心专门在发射指挥大厅旁辟出研究室,供联合攻关的课题组使用。

柴毅带着课题组成员,又一次在西昌扎下了根。他们用整整三个月,录入和处理了难以统计的数据和图像,按比例制作了发射场、发射场周边和火箭飞行经过地的三维数字图像。2005年,这一系统通过发射任务的联试联调,被成功应用到“亚太六号”发射中。

在“嫦娥一号”卫星发射过程中,课题组研制的“嫦娥卫星发射火箭飞行安全控制决策支持系统”将“嫦娥”升空后的飞行姿态、火箭分离时的轨迹变化,以及所有的相关数据都清楚地反映到发射指挥员面前的显示屏上。一位现场指挥员说:“这是在给嫦娥运载器做动态的飞行体检,它最大的好处就是能够一边体检,一边同步显示结果。”

为“嫦娥”提供人才技术双支撑

重庆大学李晓红校长将本校科研人员在“嫦娥一号”发射中所作的贡献,视为学校产学研一体化及科技服务国家需要“水到渠成”的结果,是学校大力加强自主研发和技术创新及科学研究原创性成果的代表。

作为一所具有雄厚理工科优势的高校,重庆大学从上世纪九十年代末就启动了与西昌卫星发射中心的人才培养与科技合作。西昌卫星发射中心自1999年以来承担的中星卫星、风云卫星、北斗导航试验卫星、探测卫星、实验卫星、鑫诺卫星等包括嫦娥一号卫星在内的数十颗卫星发射任务,均有重大学子参与。在“嫦娥一号”发射过程中的测发、测控、通信等重要岗位上,重庆大学培养的李尚福、张志芬、盛淼岸、魏洪波、龚国才、鄢立清、刘成国、符菊梅等一批研究生,承担着技术、组织、指挥和管理工作,宣布点火倒计时的01号指挥员李本琪,也是四年前从重庆大学自动化学院毕业的研究生。

密切的联系使学校的科研团队得以及时了解发射中心的需要。近年来,重庆大学与西昌卫星发射中心共合作完成了5个科研项目,获军队科技进步一等奖1项、二等奖2项、教育部科技进步二等奖一项。在“嫦娥探月工程”卫星发射中,科研团队完成的嫦娥卫星发射火箭飞行安全控制决策支持系统,将智能信息处理技术、自动控制、空间信息处理技术和智能决策运用于嫦娥卫星发射飞行的安全控制决策中,能够实时预示火箭飞行安全管道和落点,综合描述火箭飞行状态,提供科学的实时安全控制决策。

据柴毅介绍,课题组目前正在进行飞行综合信息处理和模拟仿真研究,使系统不仅能及时发现飞行过程中出现的问题,还能通过模拟仿真找到解决办法,形成各类指挥显示数据及虚拟现实仿真,研究强实时应用对象控制的指挥决策。

瞄准需要做研究,以及密切的人才、技术协作,也进一步拓宽了重大科研成果转化的渠道。在重庆大学ICT研究中心,记者看到即将交货的四台工业CT装备。据王珏主任介绍,这一研究项目先后获省部级科技进步一等奖2项、二等奖3项、三等奖1项,今年又获得国家科技进步二等奖。2004年，该项目被列为重庆高技术产业化重点项目和国家发改委“高技术产业化示范工程”,今年产值已达5000万元,并有望5年内实现年产值10亿元。