502所CMG團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行控制力矩陀螺裝調(diào)。
正是張激揚(yáng)和他的團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，從無到有研制出了我國首臺(tái)CMG，并一步步將先進(jìn)的產(chǎn)品送進(jìn)天宮一號(hào)。
作為我國個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室，“天宮一號(hào)”何以在太空中保持優(yōu)雅姿態(tài)？又何以多次與神舟飛船實(shí)現(xiàn)完美對接？
這背后都離不開其內(nèi)部的一類關(guān)鍵裝置：控制力矩陀螺（Control Moment Gyros，簡稱CMG）。這是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，用于長壽命的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星或空間站，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星或空間站姿態(tài)的控制。
如果把航天器比作汽車，CMG就好比發(fā)動(dòng)機(jī)，要發(fā)展大航天器，我國缺的就是CMG這種大馬力、高精度的發(fā)動(dòng)機(jī)。
“對于航天器而言，CMG的作用類似人的肌肉和四肢，使航天器在空間始終保持恰當(dāng)?shù)淖藨B(tài)。”中國航天科技集團(tuán)第五研究院502所飛輪及控制力矩陀螺產(chǎn)品總工程師張激揚(yáng)說。
正是張激揚(yáng)和他的團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，從無到有研制出了我國首臺(tái)CMG，并一步步將先進(jìn)的產(chǎn)品送進(jìn)天宮一號(hào)。也正是CMG的良好表現(xiàn)，保證了天宮一號(hào)姿態(tài)的穩(wěn)定，為交會(huì)對接提供了極佳的基礎(chǔ)條件。
天宮一號(hào)CMG的成功應(yīng)用使中國成為世界上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國家，同時(shí)也拉開了中國在軌使用CMG產(chǎn)品的序幕，為中國建造自己的空間站提供了基礎(chǔ)的控制部件。
萬轉(zhuǎn)高速不停歇
有過駕車經(jīng)驗(yàn)的人都知道，汽車在正常行駛狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常在每分鐘2000轉(zhuǎn)左右。
那么，你能設(shè)想一下讓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)以每分鐘近萬轉(zhuǎn)的速度連續(xù)運(yùn)行兩年嗎？而這正是502所CMG研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要面對的難題。
天宮一號(hào)上有六個(gè)呈球狀的CMG裝置，每個(gè)重約四五十公斤左右。張激揚(yáng)和他的同事們需要做的，就是如何在無任何維護(hù)措施的情況下令CMG安全、穩(wěn)定、可靠地在連續(xù)高速運(yùn)行的狀態(tài)下確保天宮一號(hào)作出一系列精確的姿態(tài)調(diào)整。
“沒有CMG的話，衛(wèi)星和空間站這類航天器的靈活性會(huì)差很多，調(diào)整變化的精度也會(huì)很低，而有了CMG，航天器的機(jī)動(dòng)性就會(huì)大大增強(qiáng)。”
1998年，CMG在當(dāng)時(shí)的中國還只是相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的概念。但為了未來空間實(shí)驗(yàn)室和大型衛(wèi)星的需要，國家“863”計(jì)劃專家組確定了“200Nms單框架控制力矩陀螺原理樣機(jī)研制”的預(yù)先研究課題。502所的研制團(tuán)隊(duì)悉心地捕捉住了這個(gè)機(jī)會(huì)。
張激揚(yáng)相信，CMG一定是中國航天未來發(fā)展所必不可少的，如果不發(fā)展就會(huì)成為我國航天事業(yè)發(fā)展的瓶頸，外國也會(huì)因此“卡我們的脖子”。
但在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，承擔(dān)該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)很大：CMG結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、體積大，力學(xué)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)難度高；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，需要突破轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、高速軸承潤滑、材料表面改性等相關(guān)技術(shù)難題，其中多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在當(dāng)時(shí)國內(nèi)尚缺乏空間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)……
對于CMG研發(fā)之難，團(tuán)隊(duì)成員趙雷舉了這樣一個(gè)例子：CMG有高精度長壽命的工作要求，一些轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象往往預(yù)示著產(chǎn)品可能存在隱患，因此每個(gè)部件在研發(fā)過程中都要經(jīng)過多次測試，形成上G容量的數(shù)據(jù)資料和幾千張的曲線圖。而每張曲線圖都需要科研人員去逐一研究判斷，“這其中不僅考驗(yàn)著人的耐力，而且對人的經(jīng)驗(yàn)和水平要求很高，在浩如煙海的數(shù)據(jù)中，錯(cuò)過一個(gè)異常點(diǎn)，都有可能帶來災(zāi)難性后果”。
如履薄冰
經(jīng)歷了近4年的預(yù)研之后，CMG原理樣機(jī)Z終出爐。但在科研人員眼中，如果說預(yù)研階段是艱苦的，那么在CMG的研制納入型號(hào)管理后則可謂“如履薄冰”。
對于航天產(chǎn)品，要想辦法讓其在地面暴露所有問題，并徹底解決。“只有在地面上多"折騰"產(chǎn)品，產(chǎn)品上天才不會(huì)折騰人。”多年研制經(jīng)驗(yàn)讓張激揚(yáng)形成了這樣一個(gè)信條，CMG團(tuán)隊(duì)不斷地進(jìn)行著產(chǎn)品在各種條件下長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)測試。
一直擔(dān)心的事情終究還是發(fā)生了。2008年2月的某一天早晨，天還未大亮，“咣”的一聲巨響，正在進(jìn)行高溫測試的4號(hào)CMG電性件產(chǎn)品發(fā)生故障，高速轉(zhuǎn)子在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速由每分鐘近萬轉(zhuǎn)降為0，“輪子卡住了，軸斷了，多處咬死……簡直是觸目驚心”，“問題很嚴(yán)重！但對CMG改進(jìn)意義非常大！”談及此事，張激揚(yáng)心有余悸中透著慶幸。
經(jīng)過爭論、分析，研制團(tuán)隊(duì)對問題進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，并Z終攻克了這一難題。
據(jù)悉，國外CMG產(chǎn)品在軌也出現(xiàn)過運(yùn)轉(zhuǎn)異常問題，但對方是從天上把產(chǎn)品取回來，并成立了國家級的攻關(guān)小組對問題進(jìn)行分析。“他們拆解和分析出的問題有好些是我們也發(fā)現(xiàn)并在研制過程中解決的。我們的研制和驗(yàn)證程序是科學(xué)的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匕凑粘绦蜷_展工作，是確保產(chǎn)品可靠的基本工作要求。”張激揚(yáng)總結(jié)道。
為了保證CMG首次上天萬無一失，研制團(tuán)隊(duì)制定了周密的專項(xiàng)可靠性試驗(yàn)計(jì)劃。試驗(yàn)內(nèi)容非常多，從關(guān)鍵組件驗(yàn)證到整機(jī)驗(yàn)證，從設(shè)計(jì)驗(yàn)證再到材料、工藝驗(yàn)證，所有驗(yàn)證都超過了壽命要求的一倍以上，部分組件驗(yàn)證甚至超過了10倍壽命要求。
對于高質(zhì)量產(chǎn)品背后的秘訣，趙雷認(rèn)為：“和發(fā)達(dá)國家相比，并非我們的能力有多強(qiáng)，很大程度上是我們用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和更多的時(shí)間投入換回來的。工作難度相似，我們多加班。”
CMG就像我們的孩子
在張激揚(yáng)和他的同事心里，CMG就像需要多加疼愛的孩子。
有一次張激揚(yáng)接受電視采訪時(shí)將CMG比作“孩子”，碰巧他還小的女兒在電視機(jī)前看到了這一幕。她竟然哭了起來，邊哭邊說：“我說爸爸怎么老不回來陪我，原來在那邊又有了個(gè)孩子。”
談起家人，張激揚(yáng)滿是愧疚。
因?yàn)楣ぷ鞣泵Γ铀秃⒆訌膩矶际钱?dāng)媽的來做。有一年下大雪，不會(huì)開車的她想讓張激揚(yáng)開車去接一下，但他忙得脫不開身。妻子只能騎著車子馱孩子回家。一不小心，孩子從車座上摔了下去。那一刻，這位媽媽抱著孩子在雪地里真覺得有些無助。
CMG產(chǎn)品設(shè)計(jì)組組長、產(chǎn)品副主任設(shè)計(jì)師李剛面對的問題則是：有時(shí)忙得回不了家，有時(shí)回了家還得趕回單位。
在妻子懷孕期間，有一次兩人躺下沒幾分鐘，電話響了。李剛先是想辦法在電話中把問題解決，后來發(fā)現(xiàn)實(shí)在不行，還是得跑一趟。
妻子的眼神好像在說：“能不能不去？”李剛也很無奈：“不能不去，我爭取早點(diǎn)回來吧。”
像CMG產(chǎn)品主任設(shè)計(jì)師魏大忠這樣家住通州的員工則干脆有時(shí)加班晚就不回家了。團(tuán)隊(duì)成員王曉偉這樣的煩惱似乎少些，因?yàn)樗妥挝坏膯紊硭奚�，工作生活徹底不分家，�?jīng)常是晚上和周末都泡在實(shí)驗(yàn)室里。
趙雷找到了稍微補(bǔ)償一下家人的方式—有空的時(shí)候就多做飯，也通過做飯的方式讓大腦暫時(shí)放空。
作為整個(gè)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，張激揚(yáng)則不大容易改掉自己的職業(yè)病。去年底在陪家人看太空電影《地心引力》的時(shí)候，他忍不住拿影片內(nèi)容和工作現(xiàn)實(shí)比較起來……
張激揚(yáng)的腦海中，502所CMG研發(fā)團(tuán)隊(duì)還有更為宏大的藍(lán)圖—計(jì)劃繼續(xù)研制可應(yīng)用于國內(nèi)當(dāng)前和未來所有航天器上的系列CMG產(chǎn)品。繼天宮一號(hào)CMG后，近年來該團(tuán)隊(duì)又有新型號(hào)CMG產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了在軌成功應(yīng)用。隨著502所全系列CMG產(chǎn)品逐步開發(fā)，張激揚(yáng)和他的同事們正在開創(chuàng)我國各類航天器平臺(tái)姿態(tài)控制和快速機(jī)動(dòng)的新天地……（中國科學(xué)報(bào)）
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