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声试验“指挥家”上新!看它是如何炼成的?

时间:2024年01月17日 信息来源:本站原创 点击:899 字体:

2024年1月17日22时27分,天舟七号货运飞船发射成功、奔赴苍穹,将为中国空间站带去生活和工作物资,为空间站应用与发展阶段运营提供全方位保障。


在天舟七号的发射阶段,火箭发动机产生巨大的、高频率的声音会对航天器结构、单机产生破坏。为了确保天舟七号能经受这样的考验、保证发射任务圆满成功,在地面用声试验来模拟发射的噪声,对货运飞船进行考核,它的“考场”是由航天科技集团五院打造的混响室——一间声音均匀分布的密闭“音乐厅”,“考卷”则是由声试验控制系统——一位优秀的“指挥家”,指挥声调各异的喇叭组成的“合唱团”,唱出火箭发动机的“奏鸣曲”。值得一提的是,天舟七号声试验是五院总装与环境工程部自主研制的最新一代声试验控制系统在载人航天任务中的“首秀”,这位“指挥家”展现出了精准的“指挥”艺术。


然而,培养一位优秀的“指挥家”并非易事,声试验控制系统经历了三十多年的发展,如今已升级到第三代,性能达到了国际先进水平。这从无到有、从有到优的时代性跨越,离不开一代代航天人的薪火相传、接续奋斗。


第一代:艰难探索,从无到有

第一代声试验控制系统伴随着我国东方红系列卫星的研制艰难起步,在神舟飞船试验中崭露头角。


早期声试验的控制是开环的,即发出去的声音只能根据技术人员经验进行调节,没有办法通过量化的测量结果进行控制。准备一次试验要经过很长时间的调试摸索,效率低,控制效果也不够精细。


五院的技术人员大胆提出自己开发自动声试验控制系统:声试验理论基础不够,就一起学习课本;控制算法不清,就一起推导公式;硬件性能受限,就一起寻求软件优化……


1994年,技术团队在突破了多项关键技术后,终于开发出了第一套声试验控制系统,奏响了航天器自动控制声试验乐章的序曲,实现了航天器声试验声场从手动控制到自动控制的突破。团队再接再厉,又攻克了一系列技术难题,“指挥家”由指挥单名乐手到指挥一个乐团,实现多个喇叭的协奏共鸣,完成了对神舟一号飞船的声试验考核,成功为神舟飞船飞翔寰宇保驾护航。


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▲ 2000年,神舟二号声试验现场


第二代:系统升级,时不我待

进入新世纪,国际上航天器声试验推出新的更为精细化控制的试验标准,需要技艺更高的乐手演奏出更加复杂的乐章,第一代“指挥家”逐渐力不从心。五院的技术人员面对未来任务需求,主动作为,推动声试验控制系统升级换代。充分吸纳当时最前沿的计算机和测控相关技术,重新编写核心代码和图形人机交互界面,大幅提升了控制精度,成功研发出第二代声试验控制系统,使乐曲声调变化更加丝滑,在新世纪守住了国际先进的地位。


2002年3月,第二代控制系统首次启用,顺利完成了卫星太阳翼的声试验。第二年,在神舟五号载人飞船的声试验“大考”中,该控制系统也表现优异,为我国首次载人航天飞行任务的圆满成功作出了卓越贡献。这套系统还成功应用于国内航天器声试验设备。


第二代控制系统是声控制系统发展的重要成果。20年间,神舟系列飞船、天宫实验室、天舟系列货运飞船、北斗导航卫星等都是在“指挥家”的指挥下完成的声试验,这套系统伴随着中国航天一直奋斗到2023年夏天,终于迎来了优秀的继任者。


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▲ 2009年,天宫一号声试验现场


第三代:追求卓越,志争一流

随着航天器产品任务的不断发展,声控制精度要求越来越高,试验难度日渐增大,特别是天舟货运飞船体积大、表面覆盖吸声材料,极大影响声场均匀性,这给“指挥家”提出新的挑战。之前天舟声试验需要进行多次彩排来寻找最优演奏策略,效率受到制约。为了突破试验瓶颈,迫切需要“指挥家”再度升级。


五院研制团队着眼实际需求,把多年在声试验领域的应用经验充分运用,原创性地提出了一系列技术,系统控制精度与国外设备能力相当,频率分析范围扩大一倍。


经过近三年的不懈努力,第三代声试验控制系统终于调试成功,并在多个混响室中控制良好。在经过多个大部件、整星试验任务后,该系统在2023年的天舟七号货运飞船声试验任务中正式“亮相”,以其精准的声控制满足了试验大纲要求,试验取得圆满成功。


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▲ 2023年,天舟七号声试验现场


第三代声试验控制系统的研制也是市场化的生动实践,开发初期就以市场化的标准开发,硬件的配置、外观的工业设计、软件界面的工业化风格等,都是按照市场上的商用系统进行开发。该系统也于短时间内就实现了产品的市场化推广应用。




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