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固体|天花板级的挑战！长征六号改的“大力水手”是怎样炼成的？

长征六号改由中国航天科技集团八院抓总研制 ， 是我国首型固体捆绑运载火箭 ， 是一款采用固体助推+液体芯级的新一代无毒无污染中型运载火箭 ， 四个刚劲有力的固体助推器是其区别于现役运载火箭的最大特征 ， 电动伺服系统作为助推器固体发动机的配套执行子系统 ， 推动发动机柔性喷管进行双向摇摆 ， 是实现运载火箭姿态和轨道控制的关键一环 。
固体|天花板级的挑战！长征六号改的“大力水手”是怎样炼成的？
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【固体|天花板级的挑战！长征六号改的“大力水手”是怎样炼成的？】对标国际一流
火箭在空中飞行 ， 犹如巨轮遨游在海洋中 ， 控制系统是舵手 ， 指挥航行轨道 ， 发动机为船帆 ， 提供前进动力 ， 而伺服系统则是水手 ， 听从舵手指令拉动船帆改变航行方向 。 对于长六改而言 ， 需要一个异常强壮的“水手团”来推动自身的固体发动机柔性喷管 ， 电动伺服系统以结构简单、研制成本低、可靠性高、维护方便等先天优势成为助推固体发动机执行机构的首选 。
方案研制初期 ， 对标国际先进的欧洲新一代运载火箭代表阿里安6号 ， 型号提出采用270伏高压供电 ， 额定功率25千瓦的指标要求 。 “当时国内5千瓦等级的电动伺服系统也才刚进入工程研制阶段 ， 在运载领域的应用更是史无前例 。 ”中国航天科技集团有限公司八院控制所长六改研制团队负责人曾凡铨介绍道 。 “如何把千瓦级功率的产品安全可靠地用在运载火箭上 ， 对整个研制团队来说是天花板级的挑战 。 ”
2015年 ， 历经4年摸着石头过河的研制 ， 第一套伺服系统完成首次摇摆热试车 ， 标志着大功率电动伺服系统迈入工程研制阶段 。 “工程研制阶段不仅要求功能可实现 ， 还要具有更优的结构、更强的性能和更高的可靠性 。 ”曾凡铨说道 。
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经过四轮方案迭代 ， 研制团队对大功率驱动电路、中高速永磁同步电机、大推力高精度传动机构等进行了持续优化 ， “水手们”也经历了一轮轮脱胎换骨般的瘦身 ， 单套伺服机构减重近一半 ， 更好地适应了箭上的安装需求 。
动态特性作为电动伺服系统的关键性能 ， 决定了“水手们”是否能够快速而准确地跟踪舵手的指令 ， 带动喷管完成姿态调整 。 在上百次的负载试验验证和仿真修正的打磨后 ， 团队设计了“超前校正网络+双陷波滤波器”控制算法 ， 最终达到了高精度闭环控制和良好的动态特性要求 ， 并且可满足多种真实负载工况条件下的指标要求 。
“不扰民的好邻居”
高压大电流还带来了另一个问题 ， 那就是高压高频的脉冲宽度调制（PWM）开关信号会产生强电磁干扰 ， 影响自身内部电路以及电气系统的其他电气单机的正常工作 。 “我们在高中物理都学过 ， 变化的电场会产生磁场 ， 高压高频的开关信号所产生的强磁场会对箭体内的单机造成很大的干扰 。 ”伺服控制技术负责人崔业兵解释道 ， 而且 ， 加电后高达300安的电流也会对附近的电路及元器件产生辐射 ， 影响其他单机的正常工作 。 “把电磁干扰的影响降到最低 ， 是电动伺服系统在运载领域使用的最重要前提 。 ”
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经过2年技术攻关、3轮专项试验和设计改进 ， 团队研制了28伏控制电源滤波组件和270伏动力电源滤波组件 ， 有效解决了高压高频干扰信号通过线缆耦合传输对内、外部电路的电磁干扰 ， 全项通过了单机级和系统级电磁兼容试验项目 。 “这样 ， 伺服系统就能做一个不扰民的好邻居了 。 ”电气工程师姚尧笑着说 。
“真金”不怕“火炼”
作为一个效力于运载火箭的“水手”来说 ， 终极的自我修养就是百分百的可靠 。 “电动伺服系统安装在发动机喷管周围 ， 承受的力学环境是极其恶劣的 。 ”电动伺服系统技术负责人冯伟介绍说 ， 发动机点火后 ， 瞬间可产生7500倍重力加速度的冲击 。 对此 ， 研制团队对直接影响任务成败的核心单机控制器进行了充分的减振设计 ， 通过了多轮冲击试验验证 。 还对大功率驱动电路进行了“特训” ， 针对高压大电流的功率驱动组件开展了16项强化测试 ， 对各种极限工况进行拉偏摸底 ， 确保产品设计可靠 ， 裕度充足 。
团队有针对性地设计了综合环境应力下的可靠性增长试验方案 ， 充分考核产品在综合应力环境下的工作能力 。 考虑到冬季发射条件下 ， 固体发动机在低温冷透状态下力矩显著增加对伺服系统的影响 ， 团队专项开展了伺服系统与发动机低温联合摇摆试验 ， 为型号完善发射场故障预案提供了有力支撑 ， 有效规避低温天气带来的风险 。
摄影：孙公明

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