長征六號改由中國航天科技集團(tuán)八院抓總研制，是我國首型固體捆綁運載火箭，是一款采用固體助推+液體芯級的新一代無毒無污染中型運載火箭，四個剛勁有力的固體助推器是其區(qū)別于現(xiàn)役運載火箭的最大特征，電動伺服系統(tǒng)作為助推器固體發(fā)動機的配套執(zhí)行子系統(tǒng)，推動發(fā)動機柔性噴管進(jìn)行雙向搖擺，是實現(xiàn)運載火箭姿態(tài)和軌道控制的關(guān)鍵一環(huán)。

對標(biāo)國際一流

火箭在空中飛行，猶如巨輪遨游在海洋中，控制系統(tǒng)是舵手，指揮航行軌道，發(fā)動機為船帆，提供前進(jìn)動力，而伺服系統(tǒng)則是水手，聽從舵手指令拉動船帆改變航行方向。對于長六改而言，需要一個異常強壯的“水手團(tuán)”來推動自身的固體發(fā)動機柔性噴管，電動伺服系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)簡單、研制成本低、可靠性高、維護(hù)方便等先天優(yōu)勢成為助推固體發(fā)動機執(zhí)行機構(gòu)的首選。

方案研制初期，對標(biāo)國際先進(jìn)的歐洲新一代運載火箭代表阿里安6號，型號提出采用270伏高壓供電，額定功率25千瓦的指標(biāo)要求。“當(dāng)時國內(nèi)5千瓦等級的電動伺服系統(tǒng)也才剛進(jìn)入工程研制階段，在運載領(lǐng)域的應(yīng)用更是史無前例。”中國航天科技集團(tuán)有限公司八院控制所長六改研制團(tuán)隊負(fù)責(zé)人曾凡銓介紹道。“如何把千瓦級功率的產(chǎn)品安全可靠地用在運載火箭上，對整個研制團(tuán)隊來說是天花板級的挑戰(zhàn)。”

2015年，歷經(jīng)4年摸著石頭過河的研制，第一套伺服系統(tǒng)完成首次搖擺熱試車，標(biāo)志著大功率電動伺服系統(tǒng)邁入工程研制階段。“工程研制階段不僅要求功能可實現(xiàn)，還要具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)、更強的性能和更高的可靠性。”曾凡銓說道。

經(jīng)過四輪方案迭代，研制團(tuán)隊對大功率驅(qū)動電路、中高速永磁同步電機、大推力高精度傳動機構(gòu)等進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，“水手們”也經(jīng)歷了一輪輪脫胎換骨般的瘦身，單套伺服機構(gòu)減重近一半，更好地適應(yīng)了箭上的安裝需求。

動態(tài)特性作為電動伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，決定了“水手們”是否能夠快速而準(zhǔn)確地跟蹤舵手的指令，帶動噴管完成姿態(tài)調(diào)整。在上百次的負(fù)載試驗驗證和仿真修正的打磨后，團(tuán)隊設(shè)計了“超前校正網(wǎng)絡(luò)+雙陷波濾波器”控制算法，最終達(dá)到了高精度閉環(huán)控制和良好的動態(tài)特性要求，并且可滿足多種真實負(fù)載工況條件下的指標(biāo)要求。

“不擾民的好鄰居”

高壓大電流還帶來了另一個問題，那就是高壓高頻的脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)信號會產(chǎn)生強電磁干擾，影響自身內(nèi)部電路以及電氣系統(tǒng)的其他電氣單機的正常工作。“我們在高中物理都學(xué)過，變化的電場會產(chǎn)生磁場，高壓高頻的開關(guān)信號所產(chǎn)生的強磁場會對箭體內(nèi)的單機造成很大的干擾。”伺服控制技術(shù)負(fù)責(zé)人崔業(yè)兵解釋道，而且，加電后高達(dá)300安的電流也會對附近的電路及元器件產(chǎn)生輻射，影響其他單機的正常工作。“把電磁干擾的影響降到最低，是電動伺服系統(tǒng)在運載領(lǐng)域使用的最重要前提。”

經(jīng)過2年技術(shù)攻關(guān)、3輪專項試驗和設(shè)計改進(jìn)，團(tuán)隊研制了28伏控制電源濾波組件和270伏動力電源濾波組件，有效解決了高壓高頻干擾信號通過線纜耦合傳輸對內(nèi)、外部電路的電磁干擾，全項通過了單機級和系統(tǒng)級電磁兼容試驗項目。“這樣，伺服系統(tǒng)就能做一個不擾民的好鄰居了。”電氣工程師姚堯笑著說。

“真金”不怕“火煉”

作為一個效力于運載火箭的“水手”來說，終極的自我修養(yǎng)就是百分百的可靠。“電動伺服系統(tǒng)安裝在發(fā)動機噴管周圍，承受的力學(xué)環(huán)境是極其惡劣的。”電動伺服系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人馮偉介紹說，發(fā)動機點火后，瞬間可產(chǎn)生7500倍重力加速度的沖擊。對此，研制團(tuán)隊對直接影響任務(wù)成敗的核心單機控制器進(jìn)行了充分的減振設(shè)計，通過了多輪沖擊試驗驗證。還對大功率驅(qū)動電路進(jìn)行了“特訓(xùn)”，針對高壓大電流的功率驅(qū)動組件開展了16項強化測試，對各種極限工況進(jìn)行拉偏摸底，確保產(chǎn)品設(shè)計可靠，裕度充足。

團(tuán)隊有針對性地設(shè)計了綜合環(huán)境應(yīng)力下的可靠性增長試驗方案，充分考核產(chǎn)品在綜合應(yīng)力環(huán)境下的工作能力。考慮到冬季發(fā)射條件下，固體發(fā)動機在低溫冷透狀態(tài)下力矩顯著增加對伺服系統(tǒng)的影響，團(tuán)隊專項開展了伺服系統(tǒng)與發(fā)動機低溫聯(lián)合搖擺試驗，為型號完善發(fā)射場故障預(yù)案提供了有力支撐，有效規(guī)避低溫天氣帶來的風(fēng)險。（記者 牛偉坤）