天花板級的挑戰！長征六號改的“大力水手”是怎樣煉成的？

長征六號改由中國航天科技集團八院抓總研製，是我國首型固體捆綁運載火箭，是一款採用固體助推+液體芯級的新一代無毒無汙染中型運載火箭，四個剛勁有力的固體助推器是其區別於現役運載火箭的最大特徵，電動伺服系統作為助推器固體發動機的配套執行子系統，推動發動機柔性噴管進行雙向搖擺，是實現運載火箭姿態和軌道控制的關鍵一環。

對標國際一流

火箭在空中飛行，猶如巨輪遨遊在海洋中，控制系統是舵手，指揮航行軌道，發動機為船帆，提供前進動力，而伺服系統則是水手，聽從舵手指令拉動船帆改變航行方向。對於長六改而言，需要一個異常強壯的“水手團”來推動自身的固體發動機柔性噴管，電動伺服系統以結構簡單、研製成本低、可靠性高、維護方便等先天優勢成為助推固體發動機執行機構的首選。

方案研製初期，對標國際先進的歐洲新一代運載火箭代表阿里安6號，型號提出採用270伏高壓供電，額定功率25千瓦的指標要求。“當時國內5千瓦等級的電動伺服系統也才剛進入工程研製階段，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製團隊負責人曾凡銓介紹道。“如何把千瓦級功率的產品安全可靠地用在運載火箭上，對整個研製團隊來說是天花板級的挑戰。”

2015年，歷經4年摸著石頭過河的研製，第一套伺服系統完成首次搖擺熱試車，標誌著大功率電動伺服系統邁入工程研製階段。“工程研製階段不僅要求功能可實現，還要具有更優的結構、更強的效能和更高的可靠性。”曾凡銓說道。

經過四輪方案迭代，研製團隊對大功率驅動電路、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最佳化，“水手們”也經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。

動態特性作為電動伺服系統的關鍵效能，決定了“水手們”是否能夠快速而準確地跟蹤舵手的指令，帶動噴管完成姿態調整。在上百次的負載試驗驗證和模擬修正的打磨後，團隊設計了“超前校正網路+雙陷波濾波器”控制演算法，最終達到了高精度閉環控制和良好的動態特性要求，並且可滿足多種真實負載工況條件下的指標要求。

“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衝寬度調製（PWM）開關訊號會產生強電磁干擾，影響自身內部電路以及電氣系統的其他電氣單機的正常工作。“我們在高中物理都學過，變化的電場會產生磁場，高壓高頻的開關訊號所產生的強磁場會對箭體內的單機造成很大的干擾。”伺服控制技術負責人崔業兵解釋道，而且，加電後高達300安的電流也會對附近的電路及元器件產生輻射，影響其他單機的正常工作。“把電磁干擾的影響降到最低，是電動伺服系統在運載領域使用的最重要前提。”

經過2年技術攻關、3輪專項試驗和設計改進，團隊研製了28伏控制電源濾波元件和270伏動力電源濾波元件，有效解決了高壓高頻干擾訊號透過線纜耦合傳輸對內、外部電路的電磁干擾，全項通過了單機級和系統級電磁相容試驗專案。“這樣，伺服系統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”

作為一個效力於運載火箭的“水手”來說，終極的自我修養就是百分百的可靠。“電動伺服系統安裝在發動機噴管周圍，承受的力學環境是極其惡劣的。”電動伺服系統技術負責人馮偉介紹說，發動機點火後，瞬間可產生7500倍重力加速度的衝擊。對此，研製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，通過了多輪衝擊試驗驗證。還對大功率驅動電路進行了“特訓”，針對高壓大電流的功率驅動元件開展了16項強化測試，對各種極限工況進行拉偏摸底，確保產品設計可靠，裕度充足。

團隊有針對性地設計了綜合環境應力下的可靠性增長試驗方案，充分考核產品在綜合應力環境下的工作能力。考慮到冬季發射條件下，固體發動機在低溫冷透狀態下力矩顯著增加對伺服系統的影響，團隊專項開展了伺服系統與發動機低溫聯合搖擺試驗，為型號完善發射場故障預案提供了有力支撐，有效規避低溫天氣帶來的風險。

攝影：孫公明

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