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聯想ThinkServer助力神舟十號
發(fā)布日期：2013-7-2 閱讀次數：3210
6月26日，神舟十號載人飛船返回艙在內蒙古主著陸場成功著陸，天宮一號與神舟十號載人交會對接任務取得圓滿成功。至此，天宮一號與神舟十號載人飛行任務圓滿完成，實現了“準確進入軌道，精準操控對接，穩(wěn)定組合運行，健康在軌駐留，安全順利返回”的任務目標。自1999年“神舟一號”順利升空以來，中國載人航天飛行任務連戰(zhàn)連捷。本次“神十”任務準備充分，實施順利，成果豐碩，完美收官，為工程第二步第一階段任務畫上了圓滿的句號，也為后續(xù)載人航天空間站的建設奠定了良好的基礎。
自1958年至今，五十多年來，中國航天事業(yè)走過了從無到有、從小到大、從弱到強、特色鮮明的發(fā)展道路。在硬件規(guī)模低于外國先進國家的情況下，為了提升資源利用率，中國航天人大量通過仿真，將大量不確定性和風險識別、排除在發(fā)射前，并設計出系統最優(yōu)的任務方案，極大減少了發(fā)射任務的次數。中國載人航天工程用不到發(fā)達國家1/10的經費投入，實現了與之比肩的不凡成就。
特別是在“神九”、“神十”兩次任務期間，中國載人航天工程辦公室與聯想共建中國載人航天工程總體仿真實驗室， ThinkServer服務器和ThinkStation圖形工作站服務于該實驗室和主要研制單位，在軌道計算、模擬仿真、航天器設計等關鍵環(huán)節(jié)，以卓越的品質和性能，穩(wěn)定、高效地承載了大量重要的計算工作，成功助力中國首次載人交會對接任務，已經成為我國航天事業(yè)中的重要組成部分。在“神十”宇航員太空授課的地面課堂里，兩位地面教師還利用聯想電子教室解決方案，為學生們創(chuàng)造了全新的課堂體驗。聯想凝聚全球領先的創(chuàng)新科技，助力中國載人航天交會對接任務，令中華民族的飛天之夢不斷向前推進！
軌道設計決定成敗 仿真計算未雨綢繆
航天事業(yè)向來是高投入、高風險，航天員的生命安全，更是載人航天工程的重中之重。 “天宮一號”和“神舟十號”運行時速達28000公里以上，在對接過程中，一個很小的誤差，也會讓飛船拋向離目標航天器很遠的地方，或者讓萬眾期待的“接吻”變成可怕的“追尾”。
為了確保載人航天任務萬無一失，最大限度保障航天員的生命安全，載人航天科研人員會在中國載人航天工程總體仿真實驗室中，利用ThinkServer服務器、ThinkStation工作站模擬測試航天器從發(fā)射到回收的全過程，利用數萬次仿真計算，校驗載人航天全系統的匹配性和兼容性，對各種太空物體的位置進行模擬計算以避免碰撞，并優(yōu)化推進劑管理方案，最終確定實際發(fā)射時的軌道方案。
飛船從火箭點火到入軌的約580多秒期間，是航天員進入太空最危險的環(huán)節(jié)。為了保證火箭發(fā)射萬無一失，切實保障航天員的生命安全，載人航天工程技術人員要反復模擬火箭升空中不同的力學、噪聲、溫濕度環(huán)境，要完成數萬次高精度的軌道計算，求解復雜的微分方程組，這對ThinkServer服務器的計算能力要求非常高。飛船進入軌道后，又可能面對太空垃圾、光照、磁暴、太陽風等各種太空干擾，一顆黃豆大小的太空垃圾，就能造箭毀人亡的慘劇。技術人員需要通過更大范圍、更長時間的模擬仿真，制定飛船的最佳飛行控制方案，需要長時間的密集計算、大數據量吞吐，要求設備必須不能斷電，不能宕機，對ThinkServer服務器的可靠性和品質有非常高的要求。
行百里者半九十。完成交會對接任務后，飛船的歸途也并不輕松。當飛船再次進入大氣層時，返回艙和大氣的高速摩擦將使飛船變成一團火球，表面溫度達到三千攝氏度以上，使流經表面的空氣電離而出現“黑障”現象，使飛船與地面失去無線電聯系。由于急劇減速，航天員將承受數倍于自身體重的過載。而即便經過降落傘和反推發(fā)動機的緩沖，返回艙著陸時仍有一定的沖擊。任何一點疏漏或意外，都會危及航天員的生命安全。所以神舟飛船的返回彈道、返回艙氣動外形和質心配平，都需要利用ThinkServer服務器經過嚴格的仿真計算，并在各種大氣環(huán)境參數下進行校驗，從而將返回控制風險降至最低。
手控對接萬眾矚目 仿真訓練日雕月琢
盡管航天器操控日益自動化，但人的作用仍然是無可替代的：航天員的觀測能力可以獲得更多的信息，及時修正交會和對接過程中的失誤與錯誤；而人類的主觀能動性可以對交會對接過程中的各種突發(fā)或是異常情況做出更好的判斷，節(jié)省交會對接過程中消耗的推進劑。加入了人的因素后，可以顯著提高交會對接的成功率和對接速度。但手控對接必需對航天員進行大量嚴格的訓練，仿真系統在此時又承擔了重要任務，其可以實時模擬飛行器間的相對位置，生成航天員視野中的圖像，并最終判定成績，幫助航天員掌握動作要領。
神十飛船共配備12個平移發(fā)動機，每個發(fā)動機最小的噴射力度僅為1牛頓（一個手指輕點桌面的力量），可以從不同相位調整飛船的方向、速度和加速度。為了讓航天員在任何情形下都能順利對接，在地面進行仿真對接訓練時，系統設置了不同距離、不同光照條件、不同初始偏差、不同突發(fā)事件等無數種突發(fā)狀況。航天員在地面利用對接訓練模擬器進行仿真對接訓練時，后臺模擬控制系統需要實時測量位置姿態(tài)、從敏感器讀取數據，并將讀取的數據進行處理，變成控制量輸出，在此期間要把上百個環(huán)節(jié)做成數學模型，利用ThinkServer算出正確的軌道和相對的空間位置并進行實時在線監(jiān)控，這對服務器和工作站可靠性和計算性能提出了極為嚴苛的要求。
航天器設計耗資巨大 仿真風洞實現“彎道超車”
飛行產品研制離不開充分優(yōu)化的設計和試驗驗證。由于實物驗證成本高昂，在設計階段往往要通過軟件模擬，進行虛擬設計、虛擬裝配和虛擬測試。在載人航天工程的各個主要研制單位，ThinkServer服務器和ThinkStation工作站都在承擔著設計數值計算、數據關聯存儲和虛擬界面計算生成等重要的任務，大大提高了設計的質量、速度和可驗證性。
在航天器設計階段，需要進行大量的空氣動力學測試，其中，“風洞試驗”是航天器研制工作中不可缺少的組成部分。但是物理風洞存在著設計周期長、代價高的問題，每次物理風洞執(zhí)行一次實驗，都需要漫長的準備期和巨額的實驗經費，風洞試驗進行期間的耗電量巨大而導致停電，更給風洞周邊城鎮(zhèn)居民的生活和生產帶來極大的不便。
中國載人航天科研人員利用仿真風洞很好的解決了這個問題：在計算機上建立一個集流體動力學計算、可視化以及三維交互等功能于一體的基于虛擬環(huán)境的風洞模型，這樣可以在理論計算和分析的基礎上動態(tài)模擬分型部件在風洞中的實際情況，從而不斷修改、優(yōu)化部件形態(tài)。這個過程中，后臺ThinkServer服務器需要進行高負荷的密集運算來模擬物理風洞實驗的條件，而前臺的ThinkStation工作站進行實時渲染，生成可視化界面，除了需要強大的性能支持外，也需要穩(wěn)定可靠的品質，避免宕機風險。仿真風洞實驗的應用，大量節(jié)省了實驗經費，也大大縮短了計算周期，提高了航天器設計的可靠性。