運(yùn)載火箭的穩(wěn)定飛行和精準(zhǔn)入軌是每一個(gè)航天任務(wù)成功的關(guān)鍵，這背后離不開(kāi)一群默默奉獻(xiàn)、勇于創(chuàng)新的“幕后英雄”——中國(guó)航天科工三院33所的伺服團(tuán)隊(duì)。
伺服系統(tǒng)是火箭姿態(tài)控制的核心部件，它相當(dāng)于火箭的“神經(jīng)中樞”，負(fù)責(zé)接收指令、處理數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確保火箭按照預(yù)定的軌跡飛行。
33所伺服團(tuán)隊(duì)，就是這個(gè)“神經(jīng)中樞”的打造者和守護(hù)者。他們研發(fā)的電動(dòng)伺服系統(tǒng)，不僅能夠精準(zhǔn)地執(zhí)行系統(tǒng)給定的動(dòng)作指令，誤差僅為千分之五，由院士專(zhuān)家等組成的成果鑒定委員會(huì)認(rèn)為其技術(shù)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，而且具備高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，指令與執(zhí)行幾乎同步，確保運(yùn)載火箭在飛行過(guò)程中的姿態(tài)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)入軌能力。
在技術(shù)創(chuàng)新路上不斷前行
朱雀二號(hào)作為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，其背后的大功率電動(dòng)推力矢量伺服系統(tǒng)，正是出自33所伺服團(tuán)隊(duì)之手。
面對(duì)復(fù)雜惡劣環(huán)境和高壓大功率的箭載應(yīng)用需求，電動(dòng)伺服系統(tǒng)在很多方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。航天科工三院33所伺服團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王貫介紹，商業(yè)航天運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸出推力大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，要求伺服系統(tǒng)輸出功率大；發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)慣量大，搖擺運(yùn)動(dòng)速度快，要求伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度與承載性強(qiáng)、抗擾穩(wěn)定能力強(qiáng)；惡劣環(huán)境下火箭要輸送載荷精準(zhǔn)入軌，要求伺服系統(tǒng)的控制精度高。
“要同時(shí)具備以上性能，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)伺服與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管性能的高度匹配，產(chǎn)品研制難度極大。”王貫表示。
為啃下這塊難啃的硬骨頭，他們集合了部門(mén)內(nèi)優(yōu)秀的骨干力量，成立技術(shù)攻關(guān)小組，通過(guò)多輪技術(shù)迭代和方案優(yōu)化，不斷試驗(yàn)與試錯(cuò)，突破一個(gè)又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，形成了大功率伺服設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論體系與實(shí)現(xiàn)方法。
值得一提的是，伺服系統(tǒng)還融入了智能化技術(shù)，如自主狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、參數(shù)自識(shí)別與自整定等。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各功能組件的運(yùn)行狀態(tài)，從而能夠在極短時(shí)間內(nèi)做出調(diào)整與補(bǔ)償措施。這極大提升了系統(tǒng)的可靠性，并具備快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制的能力。
“得益于我國(guó)商業(yè)航天浪潮的重大需求牽引，我們真正意義上做到了在運(yùn)載火箭領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大功率電動(dòng)替代液壓，顯著降低成本的同時(shí)也提升了系統(tǒng)可靠性，可以說(shuō)一箭雙雕，意義重大。”王貫表示，未來(lái)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備在電動(dòng)伺服系統(tǒng)容錯(cuò)性和余度設(shè)計(jì)方面下足功夫，進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性。
技術(shù)負(fù)責(zé)人黃博士經(jīng)常掛在嘴邊的一句話(huà)是：“核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)、討不來(lái)的，要靠我們自主創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。”在團(tuán)隊(duì)里，知識(shí)共享、思路共商、思維碰撞，不同的視角擦出不一樣的火花，成員們?cè)趯捤傻膭?chuàng)新環(huán)境里，不斷強(qiáng)化自主思考能力和創(chuàng)新精神。也正是這份堅(jiān)持與信念，讓團(tuán)隊(duì)在技術(shù)創(chuàng)新之路上不斷前行。
3個(gè)月提升3倍能力
創(chuàng)新之路注定崎嶇。一次任務(wù)中，用戶(hù)要求團(tuán)隊(duì)在三個(gè)月的時(shí)間里，把產(chǎn)品功率提高三倍，這聽(tīng)起來(lái)無(wú)疑是“天方夜譚”。
“我們面臨的是前所未有的挑戰(zhàn),壓力很大,在箭載艙體有限空間與復(fù)雜力熱環(huán)境約束下，3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)我們要將10千瓦電動(dòng)伺服產(chǎn)品功率提升至30千瓦，而且母線(xiàn)電壓要從270伏提升至400伏，這說(shuō)明傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再適用了，我們必須重新考慮高壓供電下系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)問(wèn)題。”王貫說(shuō)。
實(shí)驗(yàn)室里，技術(shù)方案一遍一遍修改，產(chǎn)品狀態(tài)一輪一輪迭代。為全力推動(dòng)伺服專(zhuān)業(yè)大功率、智能化發(fā)展，團(tuán)隊(duì)成員們給伺服系統(tǒng)中的每一個(gè)部件都建立了精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用仿真平臺(tái)詳細(xì)分析，一步一步挖出薄弱點(diǎn)，一點(diǎn)一點(diǎn)改進(jìn)方案。
為驗(yàn)證伺服系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)曾遠(yuǎn)赴湖州大山深處進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證。上百次的試車(chē)下來(lái)，沉重的尾噴管在精干的伺服系統(tǒng)牽引下自由靈動(dòng)地?fù)u擺。這一幕讓不少團(tuán)隊(duì)成員激動(dòng)不已。因?yàn)樗麄冎溃械呐Χ紱](méi)有白費(fèi)，伺服系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好了迎接更加艱巨的任務(wù)挑戰(zhàn)。
技術(shù)難題解決之后，團(tuán)隊(duì)依然面臨著生產(chǎn)制造方面的難題，要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下嚴(yán)控成本。因此，團(tuán)隊(duì)成員在元器件選型、伺服電機(jī)和結(jié)構(gòu)加工制造等方面轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)思想，另辟蹊徑，尋找低成本的解決方案。
“但是低成本并不意味著低可靠，低成本是精心設(shè)計(jì)出來(lái)的，我們只有通過(guò)不斷的試驗(yàn)驗(yàn)證，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)并詳細(xì)分析處理，使得產(chǎn)品可靠性得以保證。”王貫感慨道，新的伺服產(chǎn)品正在不斷成熟，不僅身量小巧，還敏捷精準(zhǔn)、堅(jiān)強(qiáng)可靠，前進(jìn)過(guò)程雖然磕磕絆絆，充滿(mǎn)艱辛，但付出終有回報(bào)。（文/鄧雨楠）
