“航天青年军”的“银河大移民”

地球人从太阳系启程,该怎样向银河系大移民?这是在今年有“航天奥林匹克”之称的国际空间轨道设计大赛(GTOC)上,美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)向世界航天界提出的“烧脑”命题。

从5月下旬至6月中旬,全世界航天大国卫星轨道设计团队,投入了对大赛桂冠的竞逐。在28天里,各队可不断提交“银河大移民”新方案,裁判系统电脑自动计算成绩并实时更新排名……竞赛考验智慧、勇气和毅力,比拼航天大国探索太空的实力和潜力。

6月13日凌晨4点,本届赛事最终成绩揭晓:由14名平均年龄不到29岁的国防科技大学与西安卫星测控中心联队(以下简称“联队”),以绝对优势荣获冠军,一举打破欧美对赛事冠军的长期垄断。按惯例,中国将从本届“赶考学生”,变成下届“命题先生”。

“我名字中有个‘亚’字,赛前让人不看好我们夺‘冠’。”“联队”带头人、国防科大空天科学学院教授罗亚中笑着说,“从往届只能旁观‘望洋兴叹’,到上届‘一步之遥’屈居亚军,再到本届让欧美同行‘望尘莫及’,中国太空轨道设计竞技能力实现了‘三级跳’。”

“星际移民”挑战银河系2100000种分布

浏阳河畔的国防科技大学,校园宁静、整洁。空天科学学院很多看似平凡的电脑机房和实验室里,研究的都是航天发射轨道、空间站交会对接等尖端科技课题,走进每间屋子都令人惊叹不已。

“空天楼”A306机房,是“联队”参加GTOC大赛的“大本营”。这里除了成排的电脑,最引人注目的是一块白板。比赛期间,“联队”每次得分有突破,都有队员画个“笑脸”形时钟记录。伴随一连串突破,排成U型的时钟像条“贪食蛇”绕了一圈,最后“吃”到白板中心的冠军奖杯……

在A306机房,罗亚中接受了本报记者专访。

“‘银河大移民’赛题,就是一个超级‘航天计划’!”罗亚中说,按照这个计划,人类向银河系大移民,可选择目的地多达10万个恒星系,空间横跨21万光年,时间横跨9000万年,复杂程度为GTOC大赛历届之最!

“有361个点的围棋棋盘,每个点有‘黑’、‘白’和‘无子’3种状态,围棋的搜索空间为3361,比宇宙的原子量大得多；而‘银河大移民’10万个移民目标,每个目标有‘移民’和‘不移民’两种状态,搜索空间为2100000,空间分布复杂度为围棋的1029928倍!”

找到最合适的路径,以尽量少的能耗、尽量高的效率、尽量均匀的分布实现星际移民……这是所有参赛团队“银河攻略”追求的目标。

GTOC大赛由欧洲航天局(ESA)于2005年发起,每1至2年举行一次。今年,令人“脑洞大开”的命题引来73支专业队伍角逐,规模为历届之最。其中,来自ESA、NASA多个研究中心及中、美、欧、俄很多大学和专业航天机构的参赛队伍,实力强劲。

这不是中国“航天人”首次参加GTOC大赛。在上届比赛中,国防科大参赛队曾大幅领先JPL参赛队,但最终被JPL反超,屈居亚军。虽然这是亚洲代表队在历届比赛中最好成绩,但罗亚中他们并不满意:“我们一定要争世界第一!”

今年刚满40岁的罗亚中,已经有近20年航天轨道设计研究履历,参加过“神舟”飞船交会对接等很多航天任务。“联队”很多队员虽为“80尾”“90后”,但从事航天事业同样经验丰富。

看起来十分“高大上”的卫星轨道设计事业,其“烧脑”之艰难与痛苦,外人难以想象。

罗亚中说,他曾经为了一个设计目标,在长达5个月的时间,夜以继日不断转换思路,泡在电脑机房反复运算验证。随着任务期限临近,那些难以突破的问题“瓶颈”,常会令人萌生以头撞墙“撞出”答案的焦虑和冲动……

挑战、失败、再挑战,怀抱远大航天梦想的“联队”成员,面对挑战深信磨难经历培养毅力、经验积累孕育成功。“再大的难题,我们所需要做的就是把平时所思、所学、所用来一次新的凝练,然后运用到解题上面。”国防科技大学博士生朱阅訸说。

凭策略和毅力战胜“星辰浩渺”

5月16日,比赛正式开始。“联队”的运算工具除了各类电脑,还包括“天河”超级计算机。

罗亚中说,参加GTOC硬件并非万能。没有好的算法和求解思路,即使把全世界的超级计算机集合起来满负荷跑一个月,也没有办法保证夺标。

为了增加比赛难度,本届大赛命题设置了诸多约束条件:每次星际转移时间间隔有特殊要求,飞船不能“越界”跑出银河系,也不得太靠近银河中心……只有参赛人脑+电脑的“攻略复杂”,才能战胜银河系浩渺的“空间复杂”。

“赛程4周,前期越早提交成绩将拥有越高的积分系数,抢时间就是抢成绩。中期和后期,则需要不断战胜对手和自我,通过技术升级和灵活博弈,实现脱颖而出。”国防科大博士生舒鹏说,从一开赛,大家就争分夺秒进入了“拼脑+拼命”状态。

从5月22日凌晨4点大赛首次允许提交成绩的那一刻起,各队提交方案产生的得分就不断变化,排名高速更新,竞争进入白热化!

“空天楼”A306机房,气氛紧张得像要爆炸。出方案,提交；再出方案,再提交!96分起步,1000分,1400分,2000分……

“每一次成绩突破,只会带来短暂兴奋。过后就会面临无比煎熬的‘天花板’。一个关键参数上去,另一个关键参数就会降下来,按下葫芦漂起瓢的疲于奔命感考验所有人的脑力、体力和毅力。”罗亚中说。

不断冥思苦想、自我怀疑、自我查验——

“会不会是构型问题?”西安卫星测控中心沈红新说。

“设计思路为什么不反着来倒推?”“联队”女将张天骄问。

“能不能像化学置换反应一样,交换已有的点?”国防科大博士生黄岸毅说。

“无论是谁,哪怕深夜产生一个灵感,就赶紧把大家叫起来运算和验证想法。”黄岸毅说,5月24日凌晨,他们第一次占据榜首。但当晚,ESA参赛团队就实现反超。“联队”旋即重新开始头脑风暴、自我否定、大胆试错,再实现“反反超”……

比赛期间,遇上端午节。队员杨震从家里带来粽子,大家在机房拆开真空包装袋直接往嘴里塞,吃上几口就算过了个端午；熬夜构思、运算、绘图,大家的标准宵夜,是罗亚中妻子每晚“探班”买来的大西瓜；到比赛尾段,大家感觉精神疲倦接近极限,相约走出校门在小饭馆聚了一餐。饭后,国防科大博士生舒鹏突然从“去应力退火”中萌生灵感提出新方案,大家赶紧跑回机房连夜测试,当晚分数突破2400。随后沈红新和黄岸毅又提出新构型,2800大关轻松突破!

此时,“联队”已经稳操胜券。但他们继续挑战新高分,大家开始“跑疯了”!

6月12日晨,距大赛终场时间不到24小时。“联队”成员舒鹏突然发现一个被弃置的方案有可取之处,经过一番优化,“弃案”创造新的最好成绩,3088分!

但“联队”还不想停下来。最后20分钟,“我有个程序可以试一下!”国防科大硕士生史兼郡说。

史兼郡提出的这个程序,运行了15分钟,结果出来了!“快提交!”3101!

一时间,A306机房、“空天楼”内外,掌声、欢呼声、呐喊声,此起彼伏……

从“赶考学生”变“出题先生”

6月13日凌晨4点18分,罗亚中发了一条朋友圈:“我们是世界冠军,我们创造了历史!”

舒鹏的朋友圈:消失了一个月,去银河系移民去了……

在如潮的点赞声中,GTOC大赛发起人Izzo教授发来贺信,大赞“联队”出色成绩；很多海外参赛团队惊呼:中国“航天青年军”运算能力令人惊叹,在对手只能“移民”1000多颗恒星系的时候,“联队”已具备“移民”4000多颗恒星系的能力!

负责这方面数据研究的朱阅訸,提前钻研了基于“天河”超级计算机的系统编程,“超算”运用完全独立自主且出神入化。

赛后,由于冠军相比第二名成绩领先优势创GTOC大赛历届之最,许多参赛队要求学习冠军团队方案。

组委会旋即将“联队”最后得到3101分的“银河大移民”方案公布在官网上。很多“航天人”看后感慨,中国在航天任务规划、轨道动力学等基础研究上,已经达到世界一流水平。“联队”的夺冠方案,凸显中国航天令人信服的创新和实践能力。

罗亚中说:“这次比赛获得的成果,对于人类航天事业具有重要意义。如位于火星和木星之间的‘小行星带’,数量庞大的小行星蕴含了丰富的特殊资源。运用此次大赛移民银河系策略,可用于找到或优化开发利用‘小行星带’丰富资源的航天方案。另一方面,‘移民银河’设计了复杂的空间交会序列,催生的技术和方案有助于维护国家空间资产安全和提高太空威慑能力。”

根据GTOC大赛规则,由于“联队”此次夺冠,下届赛事将首次由中国主办和由“联队”命题。“这既是荣誉也是挑战。GTOC大赛每届命题是航天战略思维与规划能力的展示,我们将运用中国智慧,融汇中华文化提出世界级新命题,促进中国和世界航天科研的交融互鉴、共同发展。”罗亚中说。（记者苏晓洲 李国利 谢樱）