天宫一号CMG研发团队:六个CMG极大提升机动性

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导读:502所CMG团队在进行控制力矩陀螺装调。(科学报图片) 502所CMG研发团队:为使“天宫”更自由 正是张激扬和他的团队攻坚克难,从无到有研制出了我国首台CMG,并一步步将国际先进的产品送进天宫一号。 作为我国第一个目标飞行器和空间实验室,“天宫一号”何以在太空中保持优雅姿态?又何以多次与神舟飞船实现完美对接? 这背后都离不开其内部的一类关键装置:控制力矩陀螺(Control Moment Gyros,简称CMG)。这是航天器姿态控制系统的执行装置,用于长寿命的三轴稳定卫星或空间


天宫一号CMG研发团队:六个CMG极大提升机动性

502所CMG团队在进行控制力矩陀螺装调。(科学报图片)

502所CMG研发团队:为使“天宫”更自由

正是张激扬和他的团队攻坚克难,从无到有研制出了我国首台CMG,并一步步将国际先进的产品送进天宫一号。

作为我国第一个目标飞行器和空间实验室,“天宫一号”何以在太空中保持优雅姿态?又何以多次与神舟飞船实现完美对接?

这背后都离不开其内部的一类关键装置:控制力矩陀螺(Control Moment Gyros,简称CMG)。这是航天器姿态控制系统的执行装置,用于长寿命的三轴稳定卫星或空间站,实现对卫星或空间站姿态的控制。

如果把航天器比作汽车,CMG就好比发动机,要发展大航天器,我国缺的就是CMG这种大马力、高精度的发动机。

“对于航天器而言,CMG的作用类似人的肌肉和四肢,使航天器在空间始终保持恰当的姿态。”中国航天科技集团第五研究院502所飞轮及控制力矩陀螺产品总工程师张激扬说。

正是张激扬和他的团队攻坚克难,从无到有研制出了我国首台CMG,并一步步将国际先进的产品送进天宫一号。也正是CMG的良好表现,保证了天宫一号姿态的稳定,为交会对接提供了极佳的基础条件。

天宫一号CMG的成功应用使中国成为世界上第三个掌握该技术的国家,同时也拉开了中国在轨使用CMG产品的序幕,为中国建造自己的空间站提供了基础的控制部件。

万转高速不停歇

有过驾车经验的人都知道,汽车在正常行驶状态下,发动机的转速通常在每分钟2000转左右。

那么,你能设想一下让汽车发动机以每分钟近万转的速度连续运行两年吗?而这正是502所CMG研发团队需要面对的难题。

天宫一号上有六个呈球状的CMG装置,每个重约四五十公斤左右。张激扬和他的同事们需要做的,就是如何在无任何维护措施的情况下令CMG安全、稳定、可靠地在连续高速运行的状态下确保天宫一号作出一系列精确的姿态调整。

“没有CMG的话,卫星和空间站这类航天器的灵活性会差很多,调整变化的精度也会很低,而有了CMG,航天器的机动性就会大大增强。”

1998年,CMG在当时的中国还只是相关学术领域的概念。但为了未来空间实验室和大型卫星的需要,国家“863”计划专家组确定了“200Nms单框架控制力矩陀螺原理样机研制”的预先研究课题。502所的研制团队悉心地捕捉住了这个机会。

张激扬相信,CMG一定是中国航天未来发展所必不可少的,如果不发展就会成为我国航天事业发展的瓶颈,外国也会因此“卡我们的脖子”。

但在当时的技术条件下,承担该项目风险很大:CMG结构复杂,重量、体积大,力学设计、热设计难度高;转子转速高,需要突破转子动力学、高速轴承润滑、材料表面改性等相关技术难题,其中多项关键技术在当时国内尚缺乏空间应用经验……

对于CMG研发之难,团队成员赵雷举了这样一个例子:CMG有高精度长寿命的工作要求,一些转瞬即逝的现象往往预示着产品可能存在隐患,因此每个部件在研发过程中都要经过多次测试,形成上G容量的数据资料和几千张的曲线图。而每张曲线图都需要科研人员去逐一研究判断,“这其中不仅考验着人的耐力,而且对人的经验和水平要求很高,在浩如烟海的数据中,错过一个异常点,都有可能带来灾难性后果”。

如履薄冰

经历了近4年的预研之后,CMG原理样机最终出炉。但在科研人员眼中,如果说预研阶段是艰苦的,那么在CMG的研制纳入型号管理后则可谓“如履薄冰”。

对于航天产品,要想办法让其在地面暴露所有问题,并彻底解决。“只有在地面上多‘折腾’产品,产品上天才不会折腾人。”多年研制经验让张激扬形成了这样一个信条,CMG团队不断地进行着产品在各种条件下长时间的运转测试。

一直担心的事情终究还是发生了。2008年2月的某一天早晨,天还未大亮,“咣”的一声巨响,正在进行高温测试的4号CMG电性件产品发生故障,高速转子在极短时间内转速由每分钟近万转降为0,“轮子卡住了,轴断了,多处咬死……简直是触目惊心”,“问题很严重!但对CMG改进意义非常大!”谈及此事,张激扬心有余悸中透着庆幸。

经过争论、分析,研制团队对问题进行了准确的定位,并最终攻克了这一难题。

据悉,国外CMG产品在轨也出现过运转异常问题,但对方是从天上把产品取回来,并成立了国家级的攻关小组对问题进行分析。“他们拆解和分析出的问题有好些是我们也发现并在研制过程中解决的。我们的研制和验证程序是科学的,严谨地按照程序开展工作,是确保产品可靠的基本工作要求。”张激扬总结道。

为了保证CMG首次上天万无一失,研制团队制定了周密的专项可靠性试验计划。试验内容非常多,从关键组件验证到整机验证,从设计验证再到材料、工艺验证,所有验证都超过了寿命要求的一倍以上,部分组件验证甚至超过了10倍寿命要求。

对于高质量产品背后的秘诀,赵雷认为:“和发达国家相比,并非我们的能力有多强,很大程度上是我们用严谨的工作态度和更多的时间投入换回来的。工作难度相似,我们多加班。”

CMG就像我们的孩子

在张激扬和他的同事心里,CMG就像需要多加疼爱的孩子。

有一次张激扬接受电视采访时将CMG比作“孩子”,碰巧他还小的女儿在电视机前看到了这一幕。她竟然哭了起来,边哭边说:“我说爸爸怎么老不回来陪我,原来在那边又有了个孩子。”

谈起家人,张激扬满是愧疚。

因为工作繁忙,接送孩子从来都是当妈的来做。有一年下大雪,不会开车的她想让张激扬开车去接一下,但他忙得脱不开身。妻子只能骑着车子驮孩子回家。一不小心,孩子从车座上摔了下去。那一刻,这位妈妈抱着孩子在雪地里真觉得有些无助。

CMG产品设计组组长、产品副主任设计师李刚面对的问题则是:有时忙得回不了家,有时回了家还得赶回单位。

在妻子怀孕期间,有一次两人躺下没几分钟,电话响了。李刚先是想办法在电话中把问题解决,后来发现实在不行,还是得跑一趟。

妻子的眼神好像在说:“能不能不去?”李刚也很无奈:“不能不去,我争取早点回来吧。”

像CMG产品主任设计师魏大忠这样家住通州的员工则干脆有时加班晚就不回家了。团队成员王晓伟这样的烦恼似乎少些,因为他就住单位的单身宿舍,工作生活彻底不分家,经常是晚上和周末都泡在实验室里。

赵雷找到了稍微补偿一下家人的方式——有空的时候就多做饭,也通过做饭的方式让大脑暂时放空。

作为整个团队的负责人,张激扬则不大容易改掉自己的职业病。去年底在陪家人看太空电影《地心引力》的时候,他忍不住拿影片内容和工作现实比较起来……

张激扬的脑海中,502所CMG研发团队还有更为宏大的蓝图——计划继续研制可应用于国内当前和未来所有航天器上的系列CMG产品。继天宫一号CMG后,近年来该团队又有新型号CMG产品实现了在轨成功应用。随着502所全系列CMG产品逐步开发,张激扬和他的同事们正在开创我国各类航天器平台姿态控制和快速机动的新天地……

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