燃气液压伺服系统总体初步设计规范化研究与应用

◎北京精密机电控制设备研究所 冯秀莲 姜玉峰 刘山

燃气液压伺服系统总体初步设计规范化研究与应用

◎北京精密机电控制设备研究所 冯秀莲 姜玉峰 刘山

从20世纪80年代中期开始，北京精密机电控制设备研究所以我国第二代陆基机动固体远程战略导弹各级发动机推力矢量控制研究为背景，开发了全轴摆动大型柔性喷管的推力矢量控制技术和燃气、液压、电子化一体伺服系统。燃气液压伺服系统的研制成果已成功推广应用于多个型号的研制，设计技术具有一定的成熟度。

如今，航天科研院所面临着多型号并举、批生产及快速研制的任务形势，同时研制队伍日趋年轻化，技术成熟度参差不齐，其设计结果完全取决于个人水平，难以避免产品研制过程反复、设计结果不满足要求等问题，甚至有部分设计人员无法胜任具有挑战性的型号研制工作，这势必加剧型号研制任务与人力资源间的矛盾。为解决这一问题，研究所开展了燃气液压伺服系统总体初步设计规范化研究与应用工作，旨在通过对以往成熟型号研制方案和研制过程的分析，总结并提炼原有设计流程和方法，建立覆盖伺服系统初步设计全过程的规范化体系，为本专业设计人员提供有力的设计参考和技术支持，使每项设计都能达到专业水平，以满足航天型号“高可靠、高效率”的研制要求。

一、规范化设计流程的实施

1．总体设计要求的规范化

为确保总体设计要求的合理、全面，以有效指导研制工作，首先应进行规范化研究。研究所通过总结燃气液压伺服系统设计准则，梳理了伺服系统与总体协调的主要内容，主要包含总体基本性能参数，机械接口要求，电气接口要求，控制性能要求，力学环境要求，产品化要求，成本要求和可靠性、安全性、维修性、保障性、贮存性要求，以及软件工程化要求等，形成控制系统任务书、伺服系统与总体协调要求、伺服系统总技术要求样本模板。

2．设计流程的规范化

流程化是将某一任务或工作事项沿纵向细分为若干个前后相连的工作单元或工序流程，然后再进行分析、简化、改进、整合、优化。标准化的工作流程就是让复杂的事情简单化，让企业员工摆脱工作繁忙且理不清头绪的状态。通过对以往成熟型号研制方案和研制过程的分析，总结并提炼原有设计流程与方法，同时结合燃气液压伺服系统的设计、生产和试验特点制定标准化总体初步设计流程，让设计人员有章可循，高效、有序地开展工作。燃气液压伺服系统初步设计流程见图1。

二、设计方法与文档编制规范化

通过对燃气液压伺服系统总体初步设计知识的积累和梳理，开发了覆盖初步设计研制全过程的燃气液压伺服系统初步设计指南，主要包括一般要求、任务需求分析、方案论证、方案设计、任务书的编制、伺服系统与发动机联试、靶场测试和飞行试验、可靠性、安全性、维修性、保障性、贮存性、测试性、环境适应性等共计14个部分。该指南将初步设计工作每个流程的设计方法进行了汇编，形成了规范化设计方法，使每一个设计环节都有标准可依、有规范指引，使每项设计都能达到专业水平，新员工按照专业标准可迅速地开展工作，有效促进专业技术的快速发展。

设计成果是一种需要共同使用和重复使用的事物，只有对设计承载、设计表达、设计更改等关系以标准进行统一，设计的成果才具有表达的可识别性、变化的可追溯性、利用的有效性和充分性等特征。而产品设计文件是产品设计关系表达和固化的载体，是一个巨大的技术关系集合体。通过规范设计文件的编制，使设计输出能充分、清晰和简练地表达，使设计信息能全面反映，使各阶段的设计工作成果能被及时总结，并具有可检查性。

在燃气液压伺服系统总体初步设计规范化研究过程中，研究所总结出了伺服系统与发动机联试任务书、伺服系统与发动机联试大纲、伺服系统与发动机联试结果分析报告、伺服系统单元测试报告、伺服系统方案论证报告、飞行试验遥测数据分析报告、伺服系统控制回路稳定性分析报告、伺服系统FMEA报告等27份初步设计文档编写规范模板，并对这些文档模板进行动态管理，不断优化，以达到有效指导并规范初步设计工作的目的。

三、数据库的建立

目前，研究所正处在多型号拓展的关键时期，不同型号对伺服系统的性能要求有所不同。为最大限度地扩大产品通用程度，以最少数目的不同规格产品覆盖可预见的所有应用需求，研究所通过整理现有产品建立了初步设计参数的数据库，主要包括总体机械与电气接口条件数据库、总体力学环境条件数据库和重要单机元件性能数据库。通过查询数据库可从中选出与总体性能要求相近的产品设计方案或对原方案进行稍加修改便可利用，增加了产品在各型号间的通用性，有效减少了研制新产品所带来的工作量。这一工作有利于燃气液压伺服系统实现产品化设计，也是进行规范化研究的目的之一。

四、单机元件设计规范化

产品设计质量在伺服系统初步设计的整个流程中起着至关重要的作用。各单机、元件在产品新、种类多的情况下，设计差异所带来的工艺性、可靠性问题层出不穷。因此，各部门人员均开展了相应产品的规范化设计研究，抓住关键环节，充分借鉴总结现有研制经验及研制成果形成设计标准，以规范各产品设计过程、降低研制风险、提高产品设计质量和可靠性。

以单机类伺服作动器规范化设计为例，研究所结合现有产品特点完成了伺服作动器分类规范化、设计流程规范化、主要直属件结构设计规范化、设计任务书提出的流程规范化、技术设计报告编写规范化的研究，并形成了伺服作动器主要直属件结构设计标准图样、伺服作动器二维、三维图库及图库管理系统。此外，还开展了新型密封、液压机械锁等先进应用技术的研究，用覆盖伺服作动器设计全过程的规范化体系指导设计是提高设计可靠性、设计工艺性、提高设计效率的有效手段。

五、关键技术总结及改进性研究

燃气液压伺服系统的研制成果已成功推广应用于多个战略、战术型号产品，设计技术具有一定的成熟度。同时在现役洲际固体导弹推力矢量控制顶级技术方案基础上，关键技术又有突破和明显推进。这些成果是几代航天人智慧的结晶，为使这些技术精髓有效地传承，不至于随着新旧员工的更替而流失，必须对关键技术进行总结和提炼，同时也为下一步工作的开展提供思路，使创新成为可能。

通过收集国内外燃气液压伺服系统技术资料，研究所对其中有关伺服系统方案和总体设计的内容进行归纳、学习和整理，对现有固体战略导弹燃气液压伺服系统功率优化、低刚度柔性喷管推力矢量控制系统的高动态校正和提高系统可靠性等关键技术进行了总结并形成文档，以供设计人员学习、借鉴。

燃气液压伺服系统设计技术涉及控制、流体、机械、密封、电气等专业，其发展至今已具有一定的成熟度，但随着科学技术的发展，各领域均有高可靠的新兴技术出现，所以在总结已有成熟技术的基础上，针对研制中的问题，紧跟科技发展前沿，可靠应用成熟新技术，进一步对系统性能进行优化，是专业技术发展的必经之路。为此，研究所通过调研并结合不同型号和类型燃气液压伺服系统特点，对能源功率优化的主要技术途径、低刚度柔性喷管推力矢量控制系统的高动态校正技术等关键技术进行了改进型研究，并结合在研型号进行试验验证。

此外，研究所还进一步研究了如何更好地将燃气液压伺服系统可靠性、安全性、维修性、保障性、贮存性设计要求，软件工程化要求以及产品化和成本工程要求等融入伺服系统初步设计准则与设计流程中，探索在伺服系统方案设计过程中充分实现多目标优化的技术手段，为后续型号研制提供参考。

燃气液压伺服系统总体初步设计规范化研究是现代企业全新的“知识管理”理念在航天型号研制工作中的体现。通过建立覆盖伺服系统初步设计全过程的规范化体系，能为本专业设计人员提供有力的设计参考和技术支持，并且能够有效促进专业技术的快速发展。同时，研究成果已推广应用于多个新型号的研制过程，满足航天型号“高可靠、高效率”的研制要求，应用效果良好。▲