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航天九院助长五B开启问天新征程

来源:未知 编辑:admin 时间:2020-05-22
导读:5月5日18时,中国海南文昌航天发射场发出一声长啸,长征五号B运载火箭腾空而起,随后将新一代载人飞船试验船准确送入预定轨道,首飞取得圆满成功。 从箭载计算机到惯性导航设备,再到遥测产品和传感器、变换器,以及机电组件等,航天九院研制的航天电子产品

5月5日18时,中国海南文昌航天发射场发出一声长啸,长征五号B运载火箭腾空而起,随后将新一代载人飞船试验船准确送入预定轨道,首飞取得圆满成功。

从箭载计算机到惯性导航设备,再到遥测产品和传感器、变换器,以及机电组件等,航天九院研制的航天电子产品以其强大、稳定、可靠的性能,助长征五号B运载火箭开启问天新征程。

 

▲ 长征五号B遥一运载火箭腾空而起

透过下面的问题

让我们一起探究

长五B首飞任务背后的

九院力量

 

1.长五B的“大脑”强在哪里

九院771所为长征五号B运载火箭研制了箭载计算机,其相当于火箭的“大脑”,能够有条不紊地完成箭体参数录取、飞行轨道计算、飞行轨迹卫星导航信息误差修正以及控制指令输出等多项复杂的控制任务,保证火箭准确入轨。

之所以说长征五号B运载火箭的“大脑”强健,是因为箭载计算机内部设计有三套总线控制电路,利用三中取二表决机制实现BC权在三套总线控制电路中的切换,即使在一度故障的情况下,箭载计算机仍可完成火箭的实时控制和信息综合。

同时,在箭载计算机内部还设计了特有的“听诊器”,能够自动“监听”飞行控制软件运行过程中的各类重要参数,并在不需要软件参与的情况下将参数自动组帧下传至地面测发控系统存储。这套“听诊”装置,我们称之为总线监控技术。该技术可以使控制系统在不修改飞行程序控制流程的情况下获得更多的运行过程原始数据,及时、有效地发现系统中存在的隐患问题,为系统的故障定位提供判定依据,守护火箭的首飞征程。

 

2.浩瀚宇宙中如何确保火箭精准入轨?

茫茫夜空、浩瀚宇宙,长征五号B运载火箭从点火起飞的那一刻开始,如何确保它精准进入预定轨道,就成了一个至关重要的问题。

九院13所研制的惯性导航设备和704所研制的卫星导航设备将发挥重要作用。

其中13所激光导航公司研制的激光陀螺捷联惯性测量组合(以下简称激光惯组)是火箭控制系统的关键单机,具有小型化、高可靠、高精度、长寿命、测量范围广等特点,可实时感知火箭的飞行姿态、速度等信息,实现了激光惯组在新一代大推力运载火箭上的成功应用。13所时代光电公司为火箭配套3类重要单机,其中光纤惯组作为备份产品,主要用于火箭的导航与制导,具有测量精度高、可靠性高等优点;光纤速率陀螺和加表装置主要用于火箭的姿态控制,具备测量速度快、瞬时精度高等优点,确保将载荷送入预定轨道。

在火箭点火升空进入预定轨道过程中,卫星导航设备也发挥着重要作用。704所承担火箭控制系统、测量系统中卫星导航设备的研制任务,所涉及的产品精度及可靠性要求都很高。其中应用于控制系统的某型卫星导航接收机,主要完成高动态条件下导航卫星的跟踪锁定,与惯性测量构成组合导航系统用于制导控制,确保火箭入轨精度;为测量系统配套的某型卫星定位接收机主要用于火箭飞行中的实时定位报轨,是监测系统的“千里眼”。两套产品确保在箭体旋转及复杂姿态变化的条件下不间断定位,极大地提高了定位可靠性和稳定性,为确保火箭高精度入轨发挥了重要作用。

 

3.太空航行,飞船为何不迷路?

大海航行靠舵手,太空遨游靠导航。长征五号B运载火箭首飞任务,成功将新一代载人飞船试验船送入预定轨道。在飞船遨游太空的过程中,为确保飞船时刻找准方向,九院13所激光导航公司为飞船配套了典型空间用小型化高精度激光惯性测量组合,作为主IMU全程参与工作,在飞行过程中为控制系统提供高精度的测量信息,供其导航、制导和控制使用。该种产品于2014年已经成功用于探月工程再入返回飞行器上,作为主份IMU,在轨飞行8天,绕月飞行一周,以第二宇宙速度跳跃式再入方式返回地球,为返回器开伞超高精度提供了有力保证,产品性能达到了国内领先国际先进水平。

九院13所时代光电公司研制的光纤IMU产品应用于新一代载人飞船试验船的GNC分系统中,负责敏感飞船在空间惯性坐标系下的转动角速率和平移加速度,可为航天员手动控制飞船提供导航信息。该种产品已于2014年圆满完成了月地高速再入返回飞行试验器任务,并随试验器成功着陆返回。此次参加新一代多用途飞船的发射任务,是该种产品在时隔6年之后再次执行飞行任务,充分验证了光纤IMU的可靠性,让新一代载人飞船试验船得以自由地遨游天际。

 

4.对长五B全程遥测跟踪靠什么?

在观看火箭发射直播过程中,我们经常能够听到“雷达跟踪正常”“遥测信号正常”“飞行正常”等口令,这些口令的发出,离不开九院704所的先进遥测传输技术和产品。

在此次任务中,704所研制的我国首套箭载激光位移测量系统随火箭升空并圆满完成配套飞行任务。该系统具有测量精度高、速率高、量程范围宽、体积小、重量轻等优点,并能实现位移和速率同时测量,适用于航天器高速率分离过程中高精度测量。该系统是704所探索新专业、拓展新方向、适应新常态过程中取得的重要成果,具备完全自主知识产权,奠定了704所在激光传感领域的领先地位。

更为重要的是,704所的“遥测性能增强组合技术”作为长五系列运载火箭的关键创新技术之一,通过基础技术创新,一举突破了遥测高速数据传输瓶颈。遥测性能增强组合技术属国内首创,多项技术指标达到了国际先进水平。该技术能够在较小的建设成本下,大幅提升整个遥测系统的性能,将遥测系统的数据传输速率提升了数倍,为新一代大型运载火箭专项工程的实施节省了可观的建设经费。

九院539厂也为火箭配套了火箭测量系统天馈产品,主要包括箭上一二级遥测天线、脉冲应答机天线、安全指令接收机天线、GPS接收天线、整流罩安全指令接收机天线及与天线相配套的不等分功分器和高频电缆等43台产品,对任务完成起到了重要保障作用。其中,遥测天线负责在火箭发射的各个阶段发送箭上的遥测信号,把火箭的“健康状况”实时传送。脉冲应答机天线是所有箭上天线中技术难度较大的天线,可将脉冲应答机的外测信号通过脉冲应答机天线传输给地面,也可将接收的地面脉冲信号传输给脉冲应答机。将GPS接收天线均匀布局在箭体一周,可完成GPS信号的传输。安全指令接收机天线用于配合整流罩上安全指令接收机进行无线信号的接收,完成安控任务。各种高频电缆配合功分器,有条不紊的传输信号,满足连接在上面不同长度的电缆,传输相同强度的信号。

在研制阶段,539厂使用仿真实测等手段验证了多种天线方案,经过优化和试验选取了最为合适的天线种类,并针对长征五号B运载火箭的存放环境、发射特点等多种因素进行了大幅度地适应性设计,使天线具备了更强的抗盐雾、淋雨、防霉菌等功能。

此外,九院289厂负责设计研制长征五号系列运载火箭助推段的数据采编器,单发火箭配置了4个数据采编器,负责采集火箭飞行中的环境参数,将火箭助推器即时的飞行状态反馈给地面指挥中心。

 

5.长五B的健康“体检”怎么做?

火箭“体检”合格,才能点火发射,在这方面九院研制生产的电子技术和产品也发挥着重要作用。

此次发射任务中,九院704所在长征五号B运载火箭上采用光纤传感技术对箭上管路固定结构等进行了从安装、调试、拆卸、复装、运输、飞行过程的多参量全周期规模化健康监测,可实时反映结构体应变场和温度场变化,为箭上舱体结构和管路结构安全性和健康性提供判断依据,也为箭上规模化全周期结构健康监测提供了示范。704所是我国第一家在航天飞行器飞行过程中应用光纤准分布式传感技术的单位,提供的光纤传感技术已为我国多型飞行器提供了健康监测服务。

在海南文昌发射场,704所还配置了火箭遥测地面接收系统,为火箭发射任务前靶场最后阶段火箭自身和箭上测控设备的工况进行最后一次诊断测试提供可靠的信号接收、数据判读依据。通过对遥测信号的判读,检测火箭各关键部位工作是否正常,是确保火箭能否如期发射的关键指标。遥测地面接收系统就像一位忠实的守护者,在型号研制阶段的实验室调试、桌面联试、总装厂房测试、靶场总检查、任务发射等关键阶段,默默承担着其本份和关键工作,始终发挥着独一无二的作用。

此外,九院771所研制的地面测试计算机在火箭发射前,能够及时检测箭上计算机设备的状态,确认火箭发射前一切状态正常;同时它相当于地面指挥中心与箭上设备之间的“信息中转站”,先通过网络接收地面主控计算机的控制命令,再用高速串口向箭上设备传输数据以及启动箭上软件运行,为箭上设备的正常运行起到了重要的保障作用。

 

6.火箭的感知力从何而来?

长征五号B运载火箭,堪称中国运载火箭历史上的“巨无霸”,这对时刻感知、监视和记录箭上各个系统和部位各种参数的状态提出了更高的要求。

作为传感器、变换器(即两器)产品的主力配套单位,九院704所为火箭配套两器产品1000多台,涉及火箭液位、压力、流量、位移、温度、热流、振动、过载、噪声等各类参数。这些两器产品遍布全箭,能够清晰感知箭上各个系统和部位各种参数的状态,其测量结果被用于动力系统射前监测、发动机启动条件判据、控制系统关机、飞行过程中箭上工作状况评估等, 在任务中圆满完成了对长征五号B运载火箭射前监测及飞行过程中控制和环境参数的测量任务。

同时,704所为火箭配套生产的箭上测量系统电缆网共计100余根,它们遍布全箭,就仿佛火箭的“神经系统”,是承载各类遥测参数并进行信号传输的有效载体。箭上测量系统电缆网使用了近五十种六百余只连接器、十余种四万余米线缆。为保证火箭庞大的“神经系统”能够在海南高温、高湿、高盐度的严酷环境下正常工作,704所在产品研制过程中,集中力量进行了一系列的技术攻关和验证试验。最终在保证电信号传输的同时,对电缆网中上千只连接器进行了防水防潮工艺处理,确保在海南靶场特殊环境下“中枢”与“终端”的可靠互连与互通,确保了产品的可靠性。

 

7.人手有限,提升效率、保证质量如何实现?

九院在型号科研生产过程中,大力推进两化融合工作,不断提升科研生产效率,提高产品质量。

在此次发射任务中,九院704所高度重视先进制造能力的提升,为提高火箭相关产品的生产效率及生产质量,704所从高度数字化和高度信息集成的业务流与信息流入手,应用AGV导引技术、机器人技术、自动仓储技术、RFID与条形码技术以及工业多媒体数据包采集技术、MES系统等新一代信息采集与管理技术,开展技术创新和流程优化,从人、机、料、法、环、管等角度全方位的提升运行效率。704所各专业生产车间充分发扬工匠精神,视产品为精品,出色地完成了配套产品的生产制造任务。据不完全统计,长五B遥一火箭产品电路板的自动化率接近90%,数据综合器、远置数据综合单元的生产周期及生产响应时间缩短一倍,生产效率得到显著提高。

在此次任务中,为长五B遥一火箭配套的数据综合器、远置采编单元等产品上的关键元器件采用BGA封装形式,它的焊接质量对产品来说起到了举足轻重的作用,更决定了产品的成败。为了保证长五B遥一火箭相关产品的一次焊接成功率,704所经过不断探索BGA封装的焊接参数,通过设计植球工装、控制锡膏厚度及焊接温度,利用自动化设备及光学检测设备,使长五B遥一火箭产品的BGA焊接成熟度达到了100%,极大的保证了产品的成功率。

704所利用高效的自动化生产、全面可追溯的精细化质量管理、精准快捷的自动化物资供应链为长五B遥一火箭型号任务的圆满成功提供了强有力的保障。

 

8.航天微电子的自主创新体现在哪里?

此次宇航任务,从长征五号B运载火箭到新一代载人飞船试验船,处处闪现着航天微电子自主创新的身影。

为确保长征五号B运载火箭稳定飞行、精确入轨,九院771所三冗余箭载飞行控制计算机自主开发多项关键技术:控制周期同步技术,同步三个单机协同工作,保证精确输出控制指令,同步精度达到纳秒级;总线三中取二切换技术,实现总线三冗余控制,确保箭上信息通路的安全可靠;总线“侦听”和箭地高速串行通信技术,在实现箭地A/B通道双冗余通信的同时,自动实现箭上信息流“监听”和组帧下传,并由地面测试计算机解帧接收,该技术为射前测试和发射决策提供主要数据支撑。

此次任务中,九院772所为火箭配套了FPGA、信息处理电路、AD/DA、总线等多款核心集成电路产品,用于导航、遥测、控制、伺服等多个系统。

772所自研的高性能FPGA助力惯性导航系统姿态控制,确保火箭精确进入预定轨道,飞行速度和轨迹可控。772所自研的总线用于对火箭进行实时控制和信息综合,保证信息传输的畅通无阻,为其提供了鲁棒性好的“高速公路”。此外,长五B还采用772所自研AD/DA转换器采集火箭姿态的连续模拟信号,核心控制器接收和发送传输高质量的数字信号,进行实时精确转换,是惯组中的核心器件,承担模拟世界和数字信号转换的“枢纽”。

772所为新一代载人飞船试验船配套了CPU、存储器、ASIC、FPGA等近二十款具备高效通信控制功能的核心元器件,其中最为核心的100MHz SPARC V8架构处理器和600万门抗辐射FPGA产品在轨应用发挥了至关重要的作用。

 

9.飞船上时钟和频率基准信号如何做到整齐划一?

在新一代载人飞船试验船上,九院539厂为测控与通信分系统配套了频率综合器,频率综合器是飞船上的关键设备,主要是为飞船上的电子设备提供多种频率、多种波形的高稳定度的时钟及频率基准信号。由于使用频率综合器信号的设备众多,因此频率综合器是整船上标准信号的“心脏源”。如果产品发生故障,会影响船上众多设备的正常工作。

 

10.飞船上如何实现安全用“火”?

火工控制装置顾名思义是用来控制火工品的设备。九院539厂研制的火工控制装置均属“火工品管理器”系列产品,用于多型号航天器“火工品”的起爆控制及火工品起爆状态监测,在神舟和天宫系列产品上分别承担着航天器起飞至返回地球行程中多项火工品引爆任务。飞船发射上升阶段、船箭分离、抛保护罩,在轨展开太阳翼、展开天线、返回阶段的船舱分离等众多环节,都需要控制火工品引爆、切割等动作来完成。

 

11.飞船在轨运行的各类动作如何控制?

九院539厂研制的控制驱动器是两舱姿态与轨道控制功能分系统的核心部件,是推进分系统各阀门负载与其他分系统的桥梁纽带。当它接收到控制系统的指令进行译码后,能准确驱动各负载阀门进行燃料推进,控制新飞船在轨运行的各类动作,使新飞船保持和控制在既定的运行轨道上,并使新飞船有一个正确的姿态。同时,控制驱动器通过总线将推进分系统各类信息传送给综合电子分系统进行遥测下传,使地面测控站收到推进分系统反馈的各类有效信息。

 

12.点火时的信号控制如何实现?

观看火箭发射直播时,大家一定对倒计时点火的画面印象深刻。但是“5.4.3.2.1,点火”只是我们通过电视屏幕能够看到、听到的点火指令。真正将指令传递给火箭,让火箭能够“听懂”点火指令,就离不开九院165厂自主研发的各类继电器产品组合了。

165厂为火箭配套多种继电器产品,其中有多年来一直保持各项功能稳定的电磁继电器产品和固体继电器产品,成功助力各项重点型号任务的发射。值得一提的是165厂为长征五号B运载火箭配套的直流固体继电器具有集成化程度高、开关速度快,抗过载能力强,高可靠性等特点,是该公司2类固体继电器中产量最大的产品,解决了多次DPA不合格、生产线停产的局面,解决了影响该产品的生产瓶颈问题,在我国航天多个重要火箭中成功应用,起到了信号控制的关键作用。另外,为了提高为其配套的电磁继电器产品成熟度,技术人员采取专项攻关,经过几轮的设计改进、验证,先后解决了寿命余量小、电参数稳定性差、振动余量小等问题,同时装配调试难度下降、生产稳定,投入产出比不断提升,远超历年最高水平,为火箭的配套生产保驾护航。

 

13.宽温圆形电连接器为何如此闪亮?

九院825厂为长征五号B运载火箭配套了10个系列,158个规格,1540多只/套产品。在众多型号配套产品中,最亮眼的当属Y22BH宽温圆形电连接器。

该产品作为箭上关键的电气、机械接口部件,通过法兰安装在贮箱前底、后底基座上,实现发动机上的燃料介质贮箱的密封连接,引出贮箱内推进剂液位、温度传感器测得的液面、温度信号。

Y22BH宽温圆形电连接器产品作为公司Y22系列家族中的新生代,继承了公司之前研制生产Y22系列超低温电连接器的耐超低温等优良特性,充分借鉴并采用了成熟设计结构和工艺技术,能够适应并覆盖了“长五B”推进剂使用的各种工作介质。为增强产品耐高温的特质,825厂通过工艺专项攻关,使用温宽从之前的303℃扩展到530℃,完全满足“长五B”发射的“宽温”的特殊需要。改进后的产品插座低温耐压指标也提高1.4倍,有效满足了“长五B”在飞行期间的密封可靠性。

 

14.发动机高温炙烤下,靠什么保障电路导通和信号传输?

安装在火箭一级、二级发动机上的电缆网产品,由九院693厂生产,主要连接发动机与火箭测量系统,将火箭发动机的温度、转速、压力等信号反馈至控制中心,作为火箭监测的重要保障,是保障电路导通和信号传输的重要产品。

作为火箭发动机不可缺少的电缆网,既要适应海南高温、高湿、多雨环境的影响,做到防水、防潮和绝缘,又要保证在火箭点火后,在发动机高温运行状态下,确保电路导通和数据信号传输的稳妥与可靠,这也是衡量发动机电缆网产品性能的一项重要指标。

 

15.发射前火箭如何“立正”站直?

如果把长征五号B运载火箭这个庞然大物做个拟人比喻的话,那么九院693厂研制的垂直度调整设备,就像这个“巨无霸”身体中的“眼睛”,垂直度调整设备由以前单一的“瞄准”,升级为火箭打造一双犀利的“复眼”。多“准星”检测,时刻感知火箭“一触即发”前姿态的微小变化,并把测量信号准确传输到指挥控制中心,进行数据分析和调控,确保火箭发射前姿态最后的“监测”“调整”和“瞄准”。

同时,箭上设备采用全密封结构设计,具有良好的防水防潮抗电磁屏蔽性能,避免了受发射场测量系统环境的影响,出现信号抗干扰性能差,数据波动大等现象,保证了测量精度的可靠性。

 

16.点火发射控制哪家强?

九院200厂为长征五号B运载火箭配套箭上综合控制器三台,在发射中质量可靠、性能稳定,圆满完成此次任务。同时,200厂为火箭控制系统的地面测发控设备配套了PLC控制组合、发控转接组合等数十种控制设备,特别是指挥控制大厅〇号指挥员发射倒计时到零秒按下点火发射按钮的发控转接组合即为200厂负责生产。

不忘航天报国初心

勇担航天强国使命

长征五号B运载火箭

首飞的功勋簿上

航天电子熠熠闪光

来源:中国航天科技集团官方微信、九院各单位

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