最近,航天界居然被一部都市愛情劇刷屏了。
在《你是我的榮耀》這部劇中,楊洋飾演的男主于途是一個心懷夢想的航天設計師。在前往西北衛星測控中心搶救JX-1號衛星的劇情里,涉及到了大量的航天專業知識。
當中心領導脫口而出:“趕緊做仿真驗證”,瞬間觸發我這顆新生代農民工雷達:
開多少核?
要做多久?
要排隊嗎?
來得及嗎?
要上云嗎?
……

錯了,是這張:

仿真立功!衛星拯救大作戰
事情是這樣的:
衛星發射之后,需要時不時地給地面發射信號,報告自己的狀態。
但是在某天夜里飛過我國地面監控站范圍的時候,地面站沒有收到JX-1的信號。
地面站主動聯絡了衛星,也沒有得到回復。換句話說,JX-1失聯了。

兩位JX總體設計師——于途(楊洋)和關在(潘粵明),被緊急召到西北衛星測控中心處理問題。

衛星失聯有很多原因,會上一時也沒討論出個所以然。

回到酒店后,老潘已經累到躺平,楊洋不肯放棄并順利開啟了主角光環,在查閱了相關資料后,認為衛星故障可能是太陽風暴引發的高能粒子所造成的。

兩人立馬半夜趕回中心繼續開會。在中科院空間所確認衛星故障的時刻與發生太陽風暴的時間重疊后,中心領導指示相關人員立刻去做仿真驗證,確認事故原因。


兩個半小時后。仿真結果出爐:JX-1衛星軌道和太陽風景導致高能電子暴范圍的確是匹配的,可能有粒子打進了兩臺測控應答機的內部,使應答機產生了故障,進而影響了整顆衛星的通信系統。

故障原因確定了,接下來就是一系列搶救措施:
1、應答機的接受指令功能使用模擬電路搭的,不受高能粒子影響,盲發重啟指令重啟衛星應答機恢復通訊;
2、發現衛星耗電過大,關閉非必要單機以節省電源;
3、進一步發現無法控制衛星姿態和軌道,切換到備份控制器;4、切換成功后調整姿態,展開太陽能充電板對準太陽定向充電(這一條據說是BUG)。
衛星滿血復活,撒花。

從69天的太空營救到“數字太空”
現在的西安衛星測控中心,有一套我國研發的 “數字衛星”系統。系統中,太陽能帆板、推進器、應答機,甚至是一顆小小的螺絲釘,都能通過可視化、數字化的方式模擬仿真出來。

這套系統的研發,就是因為15年前的一次“太空營救“。
我國某顆遙感衛星突發故障,在太空中急速翻滾,與地面的聯系時斷時續。出事的衛星遠在太空,看不見摸不著,只有海量的、碎片化的遙測數據。
前一天完成的數學模型,第二天就會發現完全錯亂。

西安衛星測控中心的技術團隊通過整理收集海量衛星平臺、遙測數據,以及多年搶救衛生的實際案例,在計算機中大量模擬仿真復現了衛星上的故障,并進行了針對性修復。
經過整整69天的“太空營救”,順利讓衛星“起死回生”。
從此,開啟了“數字衛星”系統的研發。
現在,我們的視野已經從小小的衛星拓展到了整個宇宙空間,通過研究大規模實體仿真推演計算框架,構建衛星、測控站、望遠鏡和雷達等實體數字模型,通過系統集成形成“數字太空”系統。

仿真不總是扮演航天“救火隊長”的角色
2019年12月27日,“實踐二十號”衛星在中國文昌航天發射場搭載長征五號遙三火箭升空。
衛星發射前,西安衛星測控中心的工程師們便通過多種最優化方法,仿真計算了火箭將衛星送到不同遠地點高度下的10余份方案預案。
衛星上天之后,他們還要通過仿真計算出在衛星當前的軌道狀態下,怎樣才是最節省燃料的變軌策略,確保衛星準確完成變軌,并盡可能延長衛星的工作壽命。
針對日益增多的空間物體,在軌衛星在進行變軌機動時,需對大量空間物體進行高精度的軌道預報計算,以預防在軌航天器與其他空間天體的碰撞。

而在今年發射的“天問一號”火星探測器的背后,也有著仿真的貢獻。
在“天問一號”升空、下降和行星表面巡視等階段,航天器外部溫度、氣壓、風速等參數的復雜變化,對航天器壁面壓力的承受能力、不同位置表面壓力分布狀況的精確計算等提出了很大挑戰,甚至會對航天器內部儀器的正常運轉產生不利影響。
為什么要仿真,做實驗它不香嗎?
實驗和仿真是認知世界的兩種方式。
仿真是建立在一定的數理模型基礎上,是把現實的空間和時間分割成很小很小的單元,然后在這些很小的單元里,一次次反復求解線性關系。
而實驗永遠不可能做到對現實百分之一百地模擬。尤其是航天仿真,太空離我們實在過于遙遠,看不見摸不著。
在兼顧成本和可行性的前提下,仿真就成了很好的認知世界的方式。
現在通過仿真,我們可以做很多事情:
我們可以對宇宙進行建模,對宇宙進行觀測,了解宇宙的加速膨脹;
我們可以模擬地球周圍的磁流體動力學,根據太陽風預測行星側擾動。
我們正在接近人類進行太空旅行和太空探索的另一個黃金時代。

下一步征程,是太陽
我國在太陽探測衛星方面一直缺席,第一顆綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺(ASO-S)預計于2022年發射,其設計目標是揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射的形成與相互關系。
在夸父追日、后羿射日、金烏負日等古代神話傳說之后,科技的發展讓我們終于有機會看到更加真切的太陽。

半個多世紀來,仿真技術支持著人類航天事業,從繞地軌道到月球,到火星,到冥王星,再到無限遙遠的深空。
我們已經造出了見過最多星星的兔子。
千百年來眺望的星空,正等待我們前往探索。
就像劇里說的——
在茫茫宇宙中
尋找地球和人類起源的真相
在無窮無盡中
尋找另一個神跡存在的可能
證明人類不孤單

- END -
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