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沈强:航天器自主安全运行的“护航者”

2021-04-30倪海波

科学中国人·下旬刊 2021年2期
关键词:航天器故障研究

倪海波

2021年,是沈强接触航天器控制研究的第11年。这11年,沈强参与了多项新加坡国防科技局、美国国防高科技研究局关于航天器姿态控制系统设计、航天器容错系统设计、飞行器行为意图辨识等项目。与此同时,在世界范围内,航天器作为太空探索任务的核心载体,一直备受各个国家的重视,而其控制系统更是起着关键作用,对于今后航天器更好地完成空间探测任务具有重要意义。

顺应时势,沈强回国应聘成为上海交通大学长聘教轨副教授,他心里已经勾勒出了一个完美的发展起点——足够优秀的平台、更多的交流机会、在业内发挥影响力的专家与他同行合作。2020年,沈强成功入选上海海外高层次人才引进计划,他愿做航天器的“护航者”,在航天器智能自主和安全控制上深耕,为国家重大需求贡献自己的力量。

兴趣是最好的老师

指针不停转动的钟表,随音乐起舞的八音盒,按照指令运行的计算机……从机械自动化到程序自动化,这些都是少年时期的沈强最感兴趣的器件。除此之外,沈强喜欢数学和物理,对火箭发射、探测器登月格外热衷,对拥有航空、航天、航海专业的三航院校心生向往。高考那年,他综合多方面因素,选择了西北工业大学动力与能源学院,攻读自动化专业。

2011年,兴趣加持的沈强前往新加坡南洋理工大学电力与电子工程学院继续学习,并且顺利拿到了新加坡政府全额研究生奖学金。读博期间,沈强的研究方向一如既往地和自己的兴趣贴合,他通过阅读外文文献,积极与导师交流,冒出了不少新的想法。他主动跟导师进行汇报反馈,确定了自己的研究方向——航天器容错控制系统的研究。“成像卫星发射升空后最重要的功能之一是拍照,我要做的工作有两个:一是调整卫星在轨道运行的姿态,使其更好地对准拍照;二是卫星在姿态机动中可能发生故障,需要确保发生故障后卫星依然能完成拍照任务,保障卫星的安全性和稳定性。”沈强谈到自己的研究领域,话匣子渐渐打开了。

“有兴趣就是一种动力,有动力才会去发现问题、探索问题、解决问题,问题解决了自然会出成果。”在沈强看来,兴趣—探索—收获是一个无限正循环的过程,人只有在这个过程中不断地向前走,才能保持一颗对学术追求火热的心。

2016年,沈强获得了由国家留学基金管理委员会设立的“国家优秀自费留学生奖学金”,新加坡一年只有30多名留学生能获得这项奖励。“我感受到了国家对我的鼓励,至少说明博士期间的科研工作得到了认可。”沈强略带开心地说道。

博士毕业后,沈强主动找到了新加坡国立大学的Goh Cher Hiang教授,进入新加坡国立大学淡马锡实验室担任研究科学家,继续着自己博士期间的研究——如何控制航天器,提高它的自主性、鲁棒性、安全性。Goh Cher Hiang教授是新加坡的第一颗微型人造卫星X-SAT的总负责人,与沈强的研究方向非常契合。此后两年的时间里,沈强跟随Goh Cher Hiang教授的团队一起做项目,其间和新加坡科技工程有限公司(Singapore Technologies Engineering)合作,开发新加坡新一代的卫星容错自主控制系统。他也因此学到了很多科研之外的东西,比如团队管理经验和对项目的管控能力。

2017年12月,沈强结束在新加坡国立大学淡马锡实验室的研究工作,前往美国亚利桑那州立大学机械与航天工程系从事博士后研究,跟随导师Yong Sze Zheng教授研究自动驾驶系统的智能自主控制和状态估计,在无人驾驶方面做了大量的工作。“自动驾驶的车辆怎样去估计和学习其他车辆的行为意图?如果能够了解其他车辆的行为意图,就可以提高无人驾驶系统的安全性,减少对突发情况的反应时间,同时保证驾驶的舒适性和安全性。”沈强相信如果能做出成果,将给人类未来的生活带来巨大的改变。

奋斗的日子闪闪发光

2019年冬天,伴随着凛冽的寒风,沈强回到了阔别已久的祖国。回想起近10年海外学习生涯,那些奋斗过的日子依然在他的记忆里闪闪发光。他清楚地记得刚去新加坡时,“那是我第一次作组会报告,做得不太好,所以印象特别深刻”,导师王郸维教授当时一字一句地和沈强说明应该如何修改:从论文题目选取、摘要及内容细化,到怎样开展相关研究学习、找到最适合自己的研究方法,再到演讲的姿态、行为举止……这些事无巨细的教导至今仍然深深影响着沈强。

而第一次投稿论文则让沈强对研究过程中的沟通交流有了更深的体会。“我的第一篇论文,写了很长时间,但是投出去后等了11个月却被拒掉了。”沈强当时觉得非常沮丧,但是他没有气馁。他非常理性地分析了论文存在的问题,跟导师进行交流,重新梳理了文章的框架。除此之外,他还积极联系校内校外的老师,甚至是开会认识的老师,发邮件给他们,请他们帮忙修改,改到最后他几乎把所有的内容重新写了一遍。最终,沈强的论文登上了航天技术类的国际顶级期刊,他说:“要对自己的问题有理性的思考,不惧怕困难,多和老师进行合理、深度的交流,才能最终解决问题。”

第一次作报告的无措、第一次投稿被拒的沮丧,可能都比不上截稿日期当天交稿的疯狂。沈强与美国亚利桑那州立大学Yong Sze Zheng教授合作的论文在提交时发现了一个致命的错误,只能找现有的论文资料,自己想办法写出解决问题的答案。当时,沈强和Yong Sze Zheng教授在办公室待了一整天,一直讨论,一直写到晚上12点,在截稿日期的最后一分钟提交了论文。“时间真的很紧迫,但是大家一起讨论的声音至今还能在耳边响起。”在科研的道路上,能和同行者一起交流、探索,最后成功地完成,沈強现在回想起来还是觉得很有成就感。

回国后沈强选择了上海交通大学航空航天学院作为自己在国内的起点,开始了新的旅程。在沈强看来,个人的发展总要和国家的发展需求结合起来,一个人只有顺应国家发展的潮流,才能把握住其中的机遇,自己也能得到更好的发展。而上海交通大学素来有这样的传统,如钱学森等许多在国家艰难困苦之际,克服重重困难,毅然回国的前辈,深刻影响着沈强。上海作为科技与经济中心,其活力也深深感染了他,在这里有优秀的平台,有更多科研交流的机会。“上海交通大学有许多在行业内很有影响力的专家学者,对我来说是一个很好的契机。”沈强对自己今后在上海的发展充满信心。

有压力才有动力

沈强在上海交通大学的教学岗位是长聘教轨副教授,学校从2010年起探索设置长聘教轨,候选者在6年聘期结束时接受学校考核,非升即走,全面考察候选者的师德师风、学术水平、教学能力、综合素养等,从而实现好中选优、优中选强。为期6年的考核制度对沈强来说,既是压力又是动力。“我对压力还是挺积极乐观的,我感觉这也是一个自我提升的过程。”沈强认为只有在有压力的环境下,人才能成长,才能做出预期的成果。

有动力的沈强目前正在积极申请科研项目,他的项目“执行机构故障情况下航天器容错自适应控制分配方法研究”获得了上海市2020年度扬帆计划项目的资助,项目“基于凸优化的受限航天器容错姿态控制”获得了2020年度上海市自然科学基金的资助。

控制分配是解决冗余控制的一种有效方法,在航天器、舰船、水下航行器、四轮驱动汽车等对安全性要求较高的过驱动(over-actuated)动态控制系统中有着十分广泛的应用。过去通常采用静态控制分配的方法去管理系统冗余,满足控制过程中执行机构约束和提高系统安全性,而这一方法需要在每一采样周期求解一个优化问题,实时性较差,尤其在系统执行机构发生故障后,稳定性和可靠性得不到保障。

在此基础上,沈强通过多方面的考虑设计了动态的控制分配方法,能够实时保证系统的安全性,提高系统的可靠性。“首先,我们将执行机构故障信息和控制分配算法有机结合,构造能够最少使用故障执行机构的动态自适应控制分配策略。”沈强通过设计针对控制分配误差的李雅普诺夫函数,使控制分配更新律能够在有限时间内渐近收敛到最优值,从而避免在每一采样周期直接求解优化问题。其次,考虑航天器执行机构故障,沈强所提出的方法能够避免传统容错控制系统的控制器重构,在控制分配设计中直接实现自适应最优故障调节和冗余管理。如果项目进展成功,沈强将所设计的自适应控制分配方法应用到航天器姿态控制系统中验证其有效性和可靠性。

“未来预期的经济效益主要是在降低航天器运行成本和维修成本。”沈强解释道,航天器的控制系统里有一台星载计算机,对安全性能的要求非常高,因为它常常处在非常恶劣的环境中,受到空间环境强辐射、强电磁干扰等因素影响。但是机载计算机的安全性能提高后,它的计算性能就会下降。而沈强的方法可以在不影响星载计算机安全性能的前提下降低控制系统对计算性能的要求,从而降低包括卫星等航天器的运行成本。同时,此方法通过控制分配实现航天器姿态控制系统在执行机构无故障和故障情况下的自主控制调节,减少地面测控中心和在轨服务航天器等支持系统的干预,进而降低航天器维修成本和延长航天器在轨运行寿命。

沈强的另一个主要研究方向是航天器姿态控制系统的故障诊断和容错控制。姿态控制系统作为航天器核心分系统之一,其任何部件的可靠性和安全性都直接关系航天器的安全和航天任务的成功。恶劣的太空环境、长时间高强度运行以及复杂的机械电子设备等因素导致航天器故障层出不穷。例如,2019年1月,美国洛克希德·马丁公司建造并发射的“Word View 4”卫星,由于姿态控制系统中控制力矩陀螺失效,致使其无法精确控制指向,因而不能再生成可用图像。“卫星在太空中发生故障时,我们其实很难对故障进行建模和实时估计,现有的卫星故障模型也很难真实反映卫星到底出现了什么样的故障。”基于上述考虑,沈强想到通过机器学习方法去辨识和估计航天器中发生的故障,简化典型故障下的不确定非线性航天器动力学模型,研究主动故障诊断方法实现航天器故障的快速定位、快速隔离,减少故障估计的时间,从而降低故障对系统性能的影响。

在沈强看来,研究航天器姿态控制系统自主容错技术,为航天器主动故障诊断中关键技术和前沿难点问题提出新的理论研究方法,为智慧航天器的安全可靠自主运行提供理论储备和技术支撑,有着重大的理论与现实意义。沈强认为,现在很多人都提出中国要在各个领域实现弯道超车,他却觉得弯道超车固然很好,但更重要的是要另辟蹊径,做出中国自己的特色。

努力向未来迈进

沈强回国的时间不长,但是他对自己的定位很明确。在教学上,他感谢上海交通大学的老师和同事给了他很多指导建议,期待未来能成为一位好老师。在培养学生上,虽然才刚刚起步,但沈强最重视学生的兴趣和好奇心,“如果学生有兴趣和好奇心,那么他探索的问题就会越多,主动研究的资料也会越多,能学到的东西自然是最多的”。在团队发展上,沈强希望能够通过3?5年的发展,拥有一个在智能航天器及集群自主安全控制研究上较有规模的团队,申请到国家重大计划项目和国家自然科学基金项目支持。“我的研究领域都是国家未来需要快速发展和投入很多精力的领域,如果能把个人的发展和国家的需求结合起来,让自己的科研服务于国家,就再好不过了。”

平时沈强长期待在实验室,面对文献和实验数据能坐上一整天,而生活中的他却是一位登山和马拉松运动的爱好者。2014年10月,印度尼西亞林贾尼火山徒步旅行;2015年12月,新加坡渣打马拉松;2016年3月,马来西亚沙巴京那巴鲁山徒步旅行;2017年5月,四川四姑娘山徒步旅行……那些攀登过的山、跑过的马拉松,就像是科研中的每一个节点,沈强顺利通过它们,继续攀登新的山峰。“有好的身体,才能做更好的研究。”沈强表示自己一直坚持跑步,好的身体才能让他在学术道路上孜孜求索,在研究领域内不断取得新的成果。

科研就像是一场没有终点的马拉松比赛,不仅要有耐心,还要有绝对的热忱,只有一刻不停地向前奔跑,才能离真理更近一点。“科研这场马拉松,我要一直跑下去。”沈强笑着说。

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