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航天科技五院总装与环境工程部承担北斗卫星导航系统AIT研制纪实
来源:中国航天报     日期:2020年07月07日    字体:【】【】【

“这是我们的功勋墙,上面有每发北斗导航卫星参试人员的名字,今年的还没来得及写”,看着满墙的名字,北斗导航总装班组组长、高级技师陈大猛感慨地说,“太快了,还来不及回味,这就打完了。”

6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功,标志着北斗三号全球卫星导航星座部署全面完成。航天科技集团有限五院总装与环境工程部(以下简称总环部)承担了40余颗北斗导航卫星的总装、集成与试验任务(以下简称AIT研制),从北斗一号导航试验系统,到北斗二号区域导航系统,再到北斗三号全球导航系统,见证了北斗卫星导航系统“三步走”发展战略的成功实现。

20年,北斗群星熠熠发光。20年,北斗团队默默奉献。20年,总环部跨越式发展,圆满完成每一颗北斗导航卫星AIT研制任务。

数字图纸三维下厂

“你看,我们以前用的图纸是这样的。”航天科技集团五院总环部总装工艺高级工程师吕景辉从落地立柜中取出两摞厚重的册子,一摞蓝色,一摞白色,在A1和A4纸张大小的页面上,正反双面印着标有尺寸、方位等大量技术参数的设计图和文字。

北斗导航卫星早期的总装过程中,操作人员拿到图纸后需要反复核对确认才能上星装配,遇到图纸描述不清的地方还需等待设计人员来现场确认,工作链条长,效率较低。随着卫星装配图纸逐渐实现了电子化、通用化,卫星装配效率大幅提升。

现在,基于卫星三维模型的总装工作模式已在北斗三号实现全面应用,卫星总装实现由平面绘图时代到数字化研制时代的跨越。

“以前,北斗二号组网星的图纸要装在13个柜子里存着,使用三维模型后电脑文件只有大概4个GB。”吕景辉表示,通过将原始设计三维模型、数据的科学转化,实现了对于设计信息的无差别传递和展示。

总装工艺岗位,是总体设计与一线操作者之间的桥梁,起着承上启下的重要沟通作用。由此,总环部建立了一套可识别的智能化数据库系统,产品信息及其关联脉络可在系统中清晰地体现。工艺设计人员可以将自身设计理念,快速转化为看板系统中的可执行文件,忠于原始设计理念的同时,实现了三维模型关联、工艺图册挂接、技术参数套入等多种技术输出形式,更加完整、准确地体现设计意图。

该平台可以直接与现场实施的看板系统关联,联网后电子化的工艺图直接发送至卫星厂房,操作人员通过厂房中的屏幕就可查看,实现工艺、总装、检验三位一体,并减少了2次数据传输导入,有效保证了工艺设计数据的正确性和快速上线。

人机协同降本增效

在北斗导航系统建设初期,卫星总装需要投入大量时间和人力。面对北斗三号全球导航系统卫星数量激增,总环部积极采用数字化、自动化手段,将大量“黑科技”智能设备应用于北斗三号的总装生产环节,用科技实现人机协同,促进整个流程高效运转。

有了机械臂,开合卫星舱板的工作变得易如反掌。“以前仅合舱板一项工作就要花上两个小时,而且还是得经验丰富的老师傅亲手操作。”吕景辉说,这对操作人员的素质提出了很高要求,因为舱板在关合时,不仅要保证定位销、孔严丝合缝,还要确保上面的载荷万无一失,“现在,机械臂30分钟内就能精准完成。”

机械臂采用了由总环部自主研制的柔性力控技术,克服了舱板开合过程中的操作不稳定、过度依赖人员经验等问题,减少了对接装配过程中的磕碰、卡滞等风险,提升了对接装配环节的质量和安全。

与此同时,机械臂的应用还使操作人员减少了一半。原先,采用传统架车进行舱板开合时,需要4~6人才能完成工作,北斗三号采用机械臂进行舱板开合,2~3人即可完成。

另外,资金投入也大大减少了。传统翻转架车的投产量大,前期的资金投入和后期的维护成本都很高,而机械臂无需投产翻转架车,只需投产成本低、易维护的支撑架,并且接口可以做到通用化,重复投产工艺装备的经费一下子节省了200多万。

卫星自动调姿系统,堪称灵活快速的位姿调整“神器”,大大提升了在大型部组件安装、舱段精密对接、太阳翼对接展开试验、天线对接展开试验等项目中位姿精密调整的自动化水平。系统安装在两轴转台上,当进行总装任务时,可实现卫星在任意姿态下的6个自由度的位姿精密调整,满足卫星在不同姿态间的自动化转换。以安装太阳翼为例,原先需要5名操作人员,约2小时进行的卫星调姿,使用该系统后只需1名工艺人员,约15分钟即可调整完毕。

麦克纳姆轮的应用,同样解决了北斗三号在大型部组件对接、展开时卫星高精度姿态调整的问题。基于麦克纳姆轮可全方位移动的原理,总环部成功研制了国内首台航天器姿态精密对接平台。操作人员只需用遥控器下指令,平台即可使实现前进、横行、原地旋转、斜向45°行进等动作,工作效率提高了20%以上。

戴上AR眼镜铺设卫星电缆,光是想象就觉得既科幻又前卫,然而这已经在北斗三号总装过程中成为了现实。

“利用增强现实技术,我们的操作人员带上AR眼镜,该怎么铺设电缆变得一目了然。”总环部副总工艺师张满介绍,在北斗三号卫星总装中,这种技术已经得到了全面推广,有效提高了电缆铺设的工作效率和准确度。

这些“黑科技”为北斗三号卫星批量化生产提供了技术支撑,大幅提升了总装环节的工作效率、节省了上百万元的研制经费,真正实现了降本增效。

试验技术精准护航

随着北斗卫星导航系统建设的深入推进,总环部卫星测试试验技术的水平和能力也不断提升。

热真空试验容器能够提供最贴近太空的环境,模拟卫星在轨工作情况下的真空、冷黑环境及高低温冷热交变情况,充分暴露卫星潜在的缺陷。通常,一颗卫星热试验周期长达1个月左右,根本无法满足北斗三号批量化生产、高密度发射的任务需求。为此,总环部创新提出让2颗导航卫星在KM7容器内并行开展热真空试验的技术。

北斗三号任务期间,个头小、数量多、技术状态相似的中圆地球轨道(MEO)卫星圆满完成了多次双星热试验。随着技术提升,试验的软硬件设备也不断升级换代。总环部自研热真空试验用热管控温神经网络算法,实现了试验中星内热管温度在无人工干预条件下的自主控温调节,极大提高了试验效率;采用可靠性更高的气动阀、电磁阀等硬件替代传统手动阀门,并通过工业以太网控制软件实现真空低温流程中的各种阀门的远程控制、自动调节,试验实施更加便捷、智能、可靠。从“单罐单星,多人多地值班”到“一罐双星,一键开机”,批量热试验技术有效适应了整体研制效能升级的需求,破解了关键资源使用紧张的难题。

为了验证卫星能否完好无损地飞向太空,力学环境试验分别采用振动台和混响室,模拟了火箭发射时剧烈的振动和噪声激励环境,考核卫星结构和性能。在北斗卫星导航系统建设过程中,振动试验设备由可产生290千牛推力的振动台,改造升级为350千牛推力振动台。振动台改造升级后,其额定推力、耳轴频率、抗倾覆力矩等参数得到大幅提升,更好地满足了北斗导航卫星力学环境试验需求。在北斗三号卫星力学试验中,采用了先进的力限试验技术,确保试验时卫星同时满足加速度试验条件和力响应限幅控制条件。

力限试验技术先后在北斗三号MEO模样、初样、正样共计18颗卫星上成功应用,这也是该技术首次在北斗三号卫星上的应用,可以较真实地复现卫星发射状态下的响应,缓解卫星共振频段的过试验问题,替卫星“减负”,降低卫星研制成本,提高卫星的寿命和可靠性。

此外,总环部还协助火箭研制单位顺利完成了远征一号上面级与北斗三号MEO双星组合体的力限振动试验,这也是总环部力限试验技术在院外单位的首秀。

总环部还形成了模块化、自动化、智能化、批产化的总装检漏技术能力,首创基于三维模型驱动的数字化、可视化单点检漏系统,实现三维模型、检漏仪、数字化吸枪同步检测与控制,减少人力50%,效率提高2倍以上;率先开展数字化自动充放气系统研制与应用,实现无人值守,充放气效率提高1倍以上;开展总漏率实时监测系统研制与应用,系统检漏灵敏度大大提升,系统总漏率测试时间由24小时缩短至12小时,效率提升了1倍。

此外,“4+2”检漏系统设计与生产组织模式(即4个工位单点漏率测试与2个工位系统总漏率测试模块)可以保证至少4颗MEO卫星并行检漏及2颗IGSO/GEO卫星并行系统检漏的流程周转,批生产效率提高4倍。批产化智能化检漏技术的应用,助力试验人员高效完成了北斗三号近100次系统级检漏及18次整星运输环境监控,实现“零缺陷”。

脉动生产批量制造

北斗导航大厅也被称作卫星的产房,40余颗北斗导航卫星在这里孕育而生,顺利完成了AIT研制。从北斗一号的单星研制,到北斗二号的小批量研制任务,再到北斗三号短短几年内20余颗卫星的组批研制任务需求,研制数量和难度的陡增,成为总环部进行AIT研制时面临的极大挑战。

如何以有限的资源实现高效配置,满足北斗导航卫星批量化生产呢?

2015年,总环部提出向脉动式生产线方向进行研究探索的思路,先后完成了脉动式生产线建设整体方案论证并确定了具体实施途径,开展了针对北斗三号组网卫星AIT任务的生产线建设实践,并对AIT场地资源功能区域重新整合,彻底改变以往一颗星固定一个工位的模式,实行型号AIT过程按照功能区域进行脉动式流转,提高了场地资源的利用率。

通过合并阶段测试、优化试验项目和装配检测项目等,总环部先后论证减少了单星AIT交叉环节18项,减少重复性冗余环节7项,减少内部交接环节11次,提高了卫星总装研制效率,缩短了型号研制周期。

总环部通过星船AIT研制主线流程的模块化设计,固化同一模块内的技术状态,实现以总装、测试工位为基站开展卫星AIT过程的脉动式生产。同时,对辅线流程进行专业化生产,缩短主线周期,提高生产效率与质量。

“我们的北斗星也像制造汽车一样,走起了流水线。”吕景辉表示,脉动式生产模式的成功探索应用,优化了AIT场地布局、工艺流程、智能装备研制应用、AIT总装生产单元建设,极大程度地提高了各类资源利用率,实现AIT阶段年均9颗、峰值16颗的卫星批产总装、测试、试验与出厂发射能力,单星总装周期缩短43.9%,有效保证了北斗三号全球组网卫星AIT任务的顺利实施。

党旗熠熠人才护航

2017年,北斗导航卫星系统全球组网大幕开启。总环部以“3年20颗、颗颗成功”的成绩单,书写了高密度发射北斗导航卫星的AIT新篇章。

为确保重大任务工程圆满成功,总环部党委将党建工作融入中心任务,通过“比规范·固习惯·强作风”“提党性·提能力·保成功·保发展”“凝·创”等党员实践行动等平台,充分发挥党支部战斗堡垒作用和党员先锋模范作用。

为推动北斗导航任务圆满完成,总环部成立北斗导航领域党员先锋队,举行授旗仪式并组织试验队宣誓。2020年初,面临突如其来的疫情,总环部北斗导航党员先锋队坚定担起确保发射任务圆满完成、北斗导航全球组网成功的使命责任,保持“越是艰险越向前”的斗争精神,坚守在北京AIT研制试验区、“逆行”至发射场,让党旗在疫情防控和科研生产一线高高飘扬,为夺取疫情防控和型号任务的“双胜利”,勇毅笃行。

同时,总环部不断优化人才队伍建设,通过“抓领军、抓青拔、抓引才、抓激励”,发布《“领航计划”实施方案》,出台9项政策助推人才成长;开展集团岗位分红中长期激励试点实施,并向优秀人才倾斜;夯实技能大师工作室平台,发挥大师领军作用;围绕AIT研制任务,形成集团公司、五院、总环部特色技能竞赛体系。

北斗导航总装班组是“航天金牌班组”。现有成员22人,为批量开展北斗卫星研制工作,班组打破“5钳2电”独立负责一颗星的传统,创建田氏批量管理法。随着北斗三号任务展开,这套批量管理法由“2+1+x”升级为“1+1+x”,即1名主管钳工、1名主管电装工和x个不固定的流动调配人员,实现了主管与流动的互补式管理,同时,这颗星的主管又是另一颗星的X。

为全面培养钳、电一体的复合型人才,总环部航天器总装中心以人员能力矩阵式管理模式,全面提升技能人员能力。班组成员要熟练掌握总体装配中38项星上主要操作。为此,班组制作了一面大大的展板,通过绿、黄、黑三种颜色的标志,对组员的操作技能水平给予区分。“大家的目标,自然都是最后统统拿绿色!”陈大猛介绍,绿色代表熟练掌握,黄色代表会但不熟练,黑色代表不会或没干过。

严格的人才培养模式,打造了一支作风过硬、技艺精湛、人员结构合理的人才队伍。陈大猛始终记得他的师傅,原北斗导航总装班组组长、现集团公司田占敏技能大师工作室负责人、特级技师田占敏的名言——操作1分钟,敬业60秒。面对北斗三号大批量、短周期、高强度研制、高密度发射的特点,陈大猛说:“我们不仅要勇担重任,还要把老一辈总装人的敬业精神传承下去。”

砥砺奋进二十载,努力前行续新篇。现在,首先在北斗导航卫星AIT研制中应用的大量智能化设备、高精尖技术、批量化流程已开始逐步应用于其他型号的AIT研制中了。收官之星的圆满成功绝对不是北斗时代结束,而是一个新的开始。(林嘉昕 朱国林)

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