打造運(yùn)載火箭智能“方向盤”

中國航天科工三院33所伺服系統(tǒng)助力朱雀二號(hào)發(fā)射成功

□ 本報(bào)記者 徐建華

7月12日上午9時(shí)，朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，成為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭。此次任務(wù)中，擔(dān)當(dāng)運(yùn)載火箭智能化“方向盤”的，是來自于中國航天科工三院33所（以下簡稱“33所”）研制的大功率電動(dòng)推力矢量伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)作為調(diào)整火箭姿態(tài)的核心部件，布置在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艙，負(fù)責(zé)通過接收控制指令，推拉火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)角度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭姿態(tài)的精準(zhǔn)操控，其可靠性與性能直接關(guān)系到火箭能否將衛(wèi)星精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。

超強(qiáng)大腦與強(qiáng)健身軀

33所伺服系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人黃建博士表示，該產(chǎn)品今年4月份在商業(yè)航天發(fā)射中成功經(jīng)受住了考驗(yàn)，如今更加成熟的產(chǎn)品讓團(tuán)隊(duì)上下對(duì)于此次任務(wù)充滿信心。

朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭是藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司完全自主研發(fā)、具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一款雙低溫液氧甲烷運(yùn)載火箭，其對(duì)伺服系統(tǒng)的低成本與高性能有著嚴(yán)苛的要求。

33所研發(fā)團(tuán)隊(duì)為此歷經(jīng)5年潛心研制，成功打造出這款“三高一強(qiáng)”的智能化產(chǎn)品——高精度，精準(zhǔn)地執(zhí)行系統(tǒng)給定的動(dòng)作指令，目前誤差僅為千分之五，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平；高動(dòng)態(tài)，不僅要執(zhí)行得準(zhǔn)，還得執(zhí)行得足夠敏捷，指令與執(zhí)行在頻率上分毫不差；高功重比，通俗地講就是身量雖小巧玲瓏，卻能夠爆發(fā)出強(qiáng)大的能量；強(qiáng)抗擾，面對(duì)飛行過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊和系統(tǒng)外的各種復(fù)雜干擾，仍然保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

“三高一強(qiáng)”讓產(chǎn)品具備了強(qiáng)健的體魄和靈動(dòng)的關(guān)節(jié)，33所研發(fā)團(tuán)隊(duì)為產(chǎn)品賦予的智能化“屬性”，則讓產(chǎn)品具備了聰慧的大腦。所謂智能化主要體現(xiàn)在自主狀態(tài)監(jiān)測與診斷、參數(shù)自識(shí)別與自整定、智能控制算法等方面。產(chǎn)品在通電的瞬時(shí)立刻能在毫秒級(jí)的時(shí)長內(nèi)完成對(duì)自身狀態(tài)的檢測與診斷，不給瑕疵和隱患留下任何躲藏的空間。同時(shí)，產(chǎn)品能夠根據(jù)各個(gè)組件的工況實(shí)時(shí)獲取特征參數(shù)，并進(jìn)行自適應(yīng)控制，讓產(chǎn)品始終工作在最佳狀態(tài)。

黃建表示，這些特征看似互相成就，實(shí)則“貌合神離”，比如，小體積和大功率，高緊湊和強(qiáng)抗干擾，為了將這些特征全集身于一體，他們需要克服電、磁、力、熱多場耦合設(shè)計(jì)與分析等種種難題，并要在算法上極其精妙。

4個(gè)月提升300%的背后

鮮為人知的是，這些成果的背后，曾一度讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)走到近乎“崩潰”的邊緣。

2019年立項(xiàng)之初，國內(nèi)主流電動(dòng)伺服系統(tǒng)能力僅為10千瓦，而火箭需要的功率是30千瓦，實(shí)現(xiàn)300%的能力躍升，留給承制團(tuán)隊(duì)的時(shí)間僅有4個(gè)月。黃建和他的同事們清晰地記得，把產(chǎn)品功率定格在5至10千瓦，他們可是足足用了3年的時(shí)間。

商業(yè)航天是一片廣闊的天地，這看似高不可攀的絕壁之上定然有不曾領(lǐng)略的無限風(fēng)光，在伺服領(lǐng)域摸爬滾打多年的33所人決定發(fā)起沖擊。迎接他們的是一次次燒糊的電路板、冒煙的電容、頻譜上無法消除的干擾信號(hào)……屢次的失敗不斷沖擊著他們的信念和意志。在他們的實(shí)驗(yàn)室里，“90后”沒資格炫耀花白的頭發(fā)、連續(xù)十天十夜的“閉關(guān)修煉”不算夸口的資本……他們?cè)诮^境中苦苦堅(jiān)守，并努力用技術(shù)創(chuàng)新生生蹚出一條前進(jìn)的路。

團(tuán)隊(duì)為系統(tǒng)每一個(gè)部件建立了精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及多學(xué)科仿真平臺(tái)展開詳細(xì)分析，從中發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)并不斷改進(jìn)。漸漸地，他們摸索出了破解難題的正確道路，新的伺服構(gòu)型在迭代中不斷完善，團(tuán)隊(duì)上下也從壓抑的狀態(tài)下釋放出來，各個(gè)專業(yè)分頭挺進(jìn)，原本橫亙?cè)诿媲暗碾y題如春日殘雪，漸漸被掃除。

為了真正摸清產(chǎn)品的工作特性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)赴浙江湖州大山深處開展實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，上百次試車下來，寶貴的數(shù)據(jù)為產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)提供了最可靠的依據(jù)?？粗林氐奈矅姽茉诰傻乃欧到y(tǒng)牽引下自由靈動(dòng)地?fù)u擺，大家都明白：成了！

此后，伺服系統(tǒng)通過地面半實(shí)物仿真與聯(lián)試、發(fā)動(dòng)機(jī)性能匹配等多項(xiàng)試驗(yàn)，完成了對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)與參數(shù)的校準(zhǔn)，為此次飛行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

談及在商業(yè)航天領(lǐng)域的成功，33所副所長張新華表示，5年來，在藍(lán)箭航天等商業(yè)航天頭部企業(yè)的牽引下，大功率全電伺服取得長足發(fā)展，相較傳統(tǒng)液壓伺服，箭載全電伺服系統(tǒng)以其智能化、單機(jī)可靠性高、工作時(shí)間長、成本低、易維護(hù)等特點(diǎn)，越來越受到用戶的關(guān)注。今后，33所將準(zhǔn)確把握商業(yè)航天賽道和全電技術(shù)發(fā)展規(guī)律，努力推動(dòng)箭載大功率全電伺服技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走上快車道。

《中國質(zhì)量報(bào)》