通訊員 陳葆娟 科技日報記者 何亮 付毅飛

3月29日，我國首型固體捆綁中型運載火箭長征六號改在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標志著我國新一代運載火箭家族再添新成員。

這位新成員本領高強，它首次采用固體助推+液體芯級提供“混合動力”，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，而電動伺服系統(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)動機柔性噴管進行雙向搖擺，是實現(xiàn)運載火箭姿態(tài)和軌道控制的關鍵一環(huán)。

完成“天花板”級別的挑戰(zhàn)

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。對長六甲而言，需要一個異常強壯的“水手團”來推動自身的固體發(fā)動機柔性噴管，電動伺服系統(tǒng)以結構簡單、研制成本低、可靠性高、維護方便等先天優(yōu)勢成為助推固體發(fā)動機執(zhí)行機構的首選。

方案研制初期，對標國際先進的歐洲新一代運載火箭代表阿里安6號，型號提出采用270V高壓供電，額定功率25kW的指標要求。

“當時國內(nèi)5kW等級的電動伺服系統(tǒng)才剛進入工程研制階段，在運載領域的應用更是史無前例。”中國航天科技集團有限公司八院控制所長六改研制團隊負責人曾凡銓回憶，“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)的結構、更強的性能和更高的可靠性。”曾凡銓說。

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

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

成為一個不擾民的“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PWM開關信號會產(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。

“變化的電場會產(chǎn)生磁場，高壓高頻的開關信號所產(chǎn)生的強磁場會對箭體內(nèi)的單機造成很大的干擾。”伺服控制技術負責人崔業(yè)兵同時表示，加電后高達300A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)在運載領域使用的最重要前提。”

經(jīng)過兩年技術攻關、3輪EMC專項試驗和設計改進，團隊研制了28V控制電源濾波組件和270V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。

層層考驗，“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，承受的力學環(huán)境是極其惡劣的。”電動伺服系統(tǒng)技術負責人馮偉介紹說，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，研制團隊對直接影響任務成敗的核心單機控制器進行了充分的減振設計，通過了多輪沖擊試驗驗證，還對大功率驅(qū)動電路進行了“特訓”，針對高壓大電流的功率驅(qū)動組件開展了16項強化測試，對各種極限工況進行拉偏摸底，確保產(chǎn)品設計可靠，裕度充足。

團隊有針對性地設計了綜合環(huán)境應力下的可靠性增長試驗方案，充分考核產(chǎn)品在綜合應力環(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)射場故障預案提供了有力支撐，有效規(guī)避低溫天氣帶來的風險。

（文中圖片均由孫公明拍攝）

關鍵詞： 是怎樣煉成 大力水手