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我国攻克大型运载火箭数字化总装对接技术

2016-07-25 22:34   浏览:1542 次
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近日,天津航天长征火箭制造有限公司圆满完成长征五号遥一火箭一级氢箱、一级箱间段和一级氧箱的数字化总装对接工作。此次对接系公司自主研制的数字化总装对接装备首次应用于产品正式总装,标志着公司攻克大型运载火箭数字化总装对接技术,实现了运载火箭部段总装对接从“手动模式”向“数字化模式”的跨越。

在装备研制过程中,公司始终坚持创新驱动的战略,立足于先进技术和关键设备的研发,注重技术成果的转化和应用。截止目前,针对数字化总装对接项目公司与上海交通大学共申请发明专利17项、实用新型专利6项,其中8项发明专利和6项实用新型专利已获得授权,9项发明专利进入实审阶段。

革故鼎新 势在必行

目前,国内现役运载火箭的大部段总装对接工作仍在沿用传统的“目视人喊手工推”的操作方式,也就是通过人眼来判断大部段在对接中所需要的调整量,由“喊号手”统一发号令,多人同步调整架车手轮实现大部段上下、前后、左右、偏摆、俯仰及滚动六个自由度的对接。

长征五号系列火箭芯级直径由现役火箭的3.35米增加到5米,最大燃料贮箱长度由现役火箭的10米增大到20米,质量重达5吨。直径和质量的增大直接导致火箭装配难度的增加。直径增加使得产品高度增加,通过目测方法难以准确判断调整量;多人操作使得人为差异较大,实现同步非常困难;质量增加导致手动调整环节强度增加。

目前,国外航空航天领域正在大力发展数字化总装对接技术。它是针对对接装配工艺进行研究而形成的新技术,集成了计算机、软件、数字化、激光跟踪测量、自动化控制等多项高新技术。美国、俄罗斯和欧洲的火箭装配已经实现工程应用。国内,沈飞、成飞、西飞等几大飞机制造厂的柔性数字化装配系统也正在建设过程中。

鉴于此,公司提出研制大部段总装数字化对接装备,夯实火箭装配基础工艺,缩短与国外先进宇航公司的技术差距,提升我国运载火箭制造的现代化水平和精细化水平。

三年攻坚 终成正果

为项目顺利开展,2012年8月,公司设立智能制造总体技术组,由副总经理孟凡新牵头,副总工程师赵瑞峰负责组织实施,李新友博士以及李强、张志博、杨中宝、陈乃玉、熊占兵、杨乐等7名工艺员共同参与,负责数字化总装对接装备的研制和技术攻关工作。在项目研究过程中,上海交通大学973首席来新民教授、机械与动力学院王皓副院长所带领的“运载火箭薄壁结构制造研究团队”积极参与,给予了大力支持。

为了确保对接装备稳妥可靠、对接技术先进成熟,智能制造总体技术组联合上海交通大学,在国内外航空航天公司、高研院所、专利机构等开展一系列技术调研和信息检索工作,了解对接技术发展前沿。同时,组内部分成员深入总装车间观摩学习,了解车间现有对接装备及技术需求,提升对接装备设计的针对性。

经过几个月的精心准备,公司最终制定《大型运载火箭数字化总装对接成套装备项目总体设计方案》,并确定以机械设备系统、控制系统、测量系统三个方向为研制突破口。测量系统代替人眼测量箭体位置和姿态,控制系统代替“喊号手”处理箭体位姿数据,并向机械设备系统传送控制指令,机械设备系统按指令通过伺服电机实现箭体位置姿态调整,并完成最终对接工作。

在机械结构设计中,研制人员碰到第一个难题。由于箭体是弱刚性部件,设备是刚性件,箭体在停放及调姿过程中,容易受到设备的挤压力,从而造成损伤。为此,研制人员决定采用间隙自适应调整方案,设计调姿设备与箭体的接触部位。目前,这种设计思路尚无经验借鉴,只能靠多次演算来确保设计结果的准确性,经过两个月的奋战,研制人员终于攻克了这个设计难题。同时,由于箭体质量重达5吨,普通铝合金结构难以承重,研制人员还专门设计符合承重要求的型材结构图,并向生产厂家特别定制,最终制造出符合要求的机械结构。

控制系统是整套数字化总装对接装备的“大脑”和中枢,是设计过程中最复杂的工程。由于数字化对接系统电机轴较多,且每个轴都存在单独运动和同步运动的情况,大大增加了轴控制的复杂性。若采用传统控制方法为每种运动单独编程,将导致控制器执行系统监控任务过多,增大控制器CPU负担和系统循环周期,影响对接精度,甚至出现反应迟缓现象,容易造成安全事故。为解决该问题,研制人员大胆提出虚拟轴同步的方式,实现各种情况下多轴同步的灵活组合,大大减少了控制器需要扫描的任务量。

在测量系统研发过程中,为提升测量的精度,研制人员在充分调研国内先进大部件测量技术的基础上,设计直径一米的圆柱形筒段开展相关测量实验。最终,公司选定激光跟踪测量的技术方案,并相继攻克全局测量场搭建、坐标系建立、数据传输、箭体位姿解算、软件与控制系统通讯与兼容等难关,成功完成测量系统开发。

2013年12月,公司分别完成测量系统、控制系统、机械系统的生产及验收工作;2014年4月28日,公司完成联合调试工作。经过一年多的生产周期,公司研制人员克服装备制造、调试过程中的重重困难,最终研制出符合设计要求的数字化总装对接装备。

充分试验 稳妥可靠

为充分验证数字化总装对接装备的可靠性和稳定性,公司在紧张的长征五号生产任务中,充分利用生产间隙,开展相关验证试验。在试验过程中,总装车间负责人徐寅主任、黄小春副主任给予大力支持,国家技能大师崔蕴在部段总装对接工艺方面给予技术指导。

2014年12月11日,公司在总装车间圆满完成一级箱间段和一级工艺氧箱的数字化对接试验;2015年5月30日,公司完成长征五号合练箭一级箱间段和一级氢箱的对接试验;2016年2月23日,公司完成合练箭一级氧箱和一级氢箱及箱间段组合体的对接试验。在试验对接中,机械设备系统、控制系统、测量系统三部分互通互联,实现了数据的自动采集、自动处理、自动决策及箭体自动调姿对接等功能。三次试验表明,数字化总装对接装备能够满足长征五号各种部段之间的数字化对接要求,可以应用到正式产品的总装过程中。

2016年3月,长征五号遥一箭的总装工作拉开序幕。公司领导高度重视数字化总装对接工作的开展,从安全要求、技术保障、质量控制等各方面做出重要部署。根据领导要求,研制人员和总装车间员工充分准备,相继完成数字化对接试验、仪器设备校验检修、数字化对接工艺规程编制、数字化对接工艺评审等工作,出色完成一级氢箱、一级箱间段和一级氧箱的数字化总装对接。

数字化总装对接技术的成功应用是我国航天领域大部段对接装配由“手动模式”转向“自动模式”的里程碑。它最大程度地减少专用装配、定位、检验等工具的使用,减少人工操作过程,全面提升运载火箭总装过程中的测量精度、定位精度和对接精度,提升火箭总装效率和自动化水平,为提升火箭产品装配质量,为重型运载火箭技术积累奠定坚实基础。

(李新友  胡永亮/文)

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