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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

我国航天机电伺服系统技术研究  

2014-04-05 15:13:22|  分类: 军事科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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航天器的飞行姿态控制执行方案有三种方式,即:
    1、推力矢量控制。推力矢量控制是相对于弹体坐标,用伺服机构改变推进动力装置推力的方向(如摆动液体火箭发动机、摆动固体火箭发动机喷管、摆动发动机燃气舵等)来获得所需要的操纵力矩。它独立于飞行器所处的外部环境,不论在大气层或外层空间,也不论飞行速度的高低,只要有推力就可以有操纵力矩,且操纵力矩容易做到足够大。推力矢量控制是运载火箭姿态控制的主流方式。
    2、空气动力控制。空气动力控制是在大气环境中用伺服机构控制飞行器气动外形或气动舵面,利用空气动力来产生操纵力矩控制飞行姿态。再人大气层的机动弹头和天地往返运输工具需要这种姿态控制方式。
    3、反作用控制。反作用控制是利用冷气或燃气喷嘴产生的反作用力作用于飞行器质心来获得姿态控制操纵力矩。喷咀一般都采用开关控制,已不属于经典的伺服控制类型,但因其流体器件属性和执行功能使它仍属伺服专业研究范围。

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伺服系统(servo system),是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服系统通常包含受控体(plant)、作动器(actuator)、传感器(sensor)、控制器(controller)等几个部分。

我国首次实现伺服系统“全电化” - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
航天常用的伺服机构有:气动伺服机构、液压伺服机构、电动伺服机构等。

气动伺服机构 (pneumatic servomechanism) 以压缩气体或热燃气作为能源的伺服机构。它由力矩马达、气动伺服阀、作动筒和反馈元件等组成。输入信号通过伺服阀控制流入作动筒的压缩气体的流量和压力,带动负载运动。气动伺服机构的主要优点是力矩惯量比大,灵敏度高,结构简单,体积小,质量轻,成本较低;缺点是效率低,工作时间短,刚性差,因此只能用于近程导弹。

燃气伺服机构 (gas servomechanism) 以热燃气作为能源的气动伺服机构。与使用冷气的伺服机构相比,燃气伺服机构的主要优点是响应速度快,体积小,质量轻,功率质量比犬;缺点是燃气残渣易堵塞气路而必须精细过滤,工作时间短,需用耐高温材料。

液压伺服机构 (hydraulic servomechanism) 利用高压液体作为能源的伺服机构。它由电液伺服阀、液压作动筒和反馈元件等组成。输入信号通过电液伺服阀控制流入作动筒的高压液体的流量和压力来带动负载运动。它广泛应用于导弹和飞机上/其主要优点是响应速度快,功率质量比大,结构紧凑;主要缺点是加工精度要求高、能源复杂、成本较高。

电动液压伺服机构 (electric hydraulic servomechanism) 又称电液伺服机构。导弹姿态控制系统的执行机构。电动液压伺服机构用以接受控制系统指令,调制增压油液,放大功率并传递输出,操纵负载。它由电池、电机、油泵、伺服阀、油箱、蓄压器、作动器以及有关附件组成。该伺服机构所用的液压能源通常由电机或燃气涡轮带动液压泵获得。由于具有输出力矩大、力矩惯性比大、体积小、刚度大、精度高、响应快等一系列优点,它在导弹上获得了广泛的应用。其主要缺点是加工精度高,能源复杂,成本较高。

电动伺服机构 (electric servomechanism) 以电能作为直接能源的伺服机构。它用于操纵导弹舵面、摆动发动机或偏转喷管的运动,可分为直接控制式和间接控制式两种。直接控制式由伺服电动机、减速器和反馈元件组成,通过控制电动机的输入信号电压来改变电动机的输出转矩和转速,经减速器操纵负载运动。与间接控制式相比,其力矩惯量小,快速性差,控制功率要求大。间接控制式由驱动微电机、电磁离合器、减速器和反馈元件等组成。由于离合器的力矩/惯量比大,而且在控制过程中驱动微电机接近恒速转动,故其惯性可不考虑,从而使其快速性好,所需控制功率亦较小。

摘自《国防科技名词大典  航天》,航空工业出版社,2002年

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导弹推力矢量控制伺服系统介绍

推力矢量控制伺服系统简称伺服系统,是导弹控制系统中的执行机构,它的作用是根据控制系统的指令,控制喷管的摆角,改变发动机喷焰的排出方向,产生侧向控制力力矩,改变导弹在飞行中的姿态,使之按预定轨道稳定飞行。当导弹程序转弯或由于干扰作用引起导弹姿态偏差时,控制系统的敏感装置便有相应的信号输出,经过综合变换放大后成为伺服系统的输入指令信号,伺服系统便按照这个指令信号的大小与方向摆动喷管,以改变发动机推力的方向,从而改变导弹在飞行中的姿态和方向。伺服系统与控制系统其它组成部分的关系如下图所示。
 
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推力矢量控制伺服系统是控制系统的重要组成部分,在导弹各分系统中,它是除发动机以外功率最大的设备,是控制系统中动特性复杂、质量大、温度高、工作环境恶劣的设备,如能用电动伺服系统替代目前我国固体导弹上使用的电-液伺服系统,对缩短全弹的研制周期,降低生产成本和改善使用维护性能等都具有重要意义。
几十年来,绝大多数火箭和导弹都采用液压伺服系统或气动伺服系统等,这是因为这些伺服系统具有优良的动态特性和结构适应性,而且很易实现功率、输出转矩、动态特性和结构要求的统一。各国在上述伺服系统技术方面进行了多年大量的研究工作,至今,这些技术己很成熟、可靠,因此得到了广泛而持久的应用。我国的导弹一直普遍采用电—液伺服系统,与电动伺服系统相比,其优势在于:
(1) 力矩惯性比大
电液伺服系统中,由于功率损耗所产生的热量可以由液压油带到油箱中去散发,所以其最小尺寸不受发热量的限制,能够在较小的尺寸下产生较大或力矩,力矩惯量比大,加速性能好,可以组成快速伺服系统;电动伺服系统的最小尺寸与最大的有效磁通密度和功率损耗所产生的发热量有关,发热量的散发又比较困难。因此,电动伺服系统结构尺寸较大,力矩惯量比小。
(2) 功率质量比大
推力矢量控制伺服系统是导弹控制系统中质量最大的仪器设备,为了提高战略导弹的射程,如何提高伺服系统的功率质量比一直是人们极为关心的一个重要问题。电液伺服系统的最小尺寸取决于最大工作压力,而最大工作压力只受到零件安全应力的限制。伺服作动器的壳体也可由钦合金制成,作到体积小,质量小,使电液伺服系统具有很大的功率质量比。因此,电液伺服系统在大中型导弹上得到广泛应用;电动伺服系统用电机或其它电磁元件,由于电磁材料在不太高的磁通下便产生饱和,这就是说一定体积的电机,其输出功率受到一定的限制,加上钢材和矽钢片的密度又大,要提高功率质量比就相当困难。
(3) 控制精度高
由于电液伺服系统液压油的压缩性很小,所以液压执行元件的风度大,即输出位移受外负载的影响小,定位准确,位置误差小,控制精度高;电动伺服系统的输出力是由电磁场作用形成的,刚度比电液系统差,定位误差较大,另外,齿轮传动间隙的存在限制了系统精度的提高,需采取特殊技术措施,才能消除间隙。
(4) 动态响应速度快
液压执行元件响应速度快,电液伺服系统回路增益高,频带宽,这是电液伺服系统的主要优点。而电动伺服系统机械传动机构较笨重,动态响应速度慢。
(5) 效率高
电液伺服系统不存在电磁损耗,所以效率高,又由于有液压流体进行热循环,发热不太严重,机械磨损造成的损失也很小;电动伺服系统电磁损耗大,发热功率损失大,其效率不如电液伺服系统。
但同时它又有如下致命缺点:
(1) 可靠性不高
导弹是一次性使用武器,加上工作条件十分恶劣,因此,可靠性问题相当突出。电液伺服系统如果出现泄漏就会影响传动效率和工作性能,严重时会导致系统丧失功能;此外,电液伺服系统对液压油的清洁度要求极为严格,如果在液压油中出现污物就会造成液压附件内的零件磨损,滑阀卡滞,小孔堵塞,从而影响系统的性能和破坏系统的工作;电动伺服系统是用电流将功率通过传动装置传送到负载的,不存在泄漏和污染问题,相比之下可靠性是比较高的。
(2) 贮存性性差
导弹武器问题长期贮存以备战时才使用的,由于贮存环境温度、湿度霉菌的作用,使非金属元件老化甚至失效,使金属零件锈蚀,整机绝缘性能下降,对产品的可靠性带来不利的影响。电液伺服系统中的橡胶密封圈经过长期贮存后容易老化,引起油液泄漏。电动伺服系统的贮存性能很好,一般经过长期贮存后,除轴承中的润滑脂有少量挥发外,其余性能均能满足使用要求。
(3) 抗污染能力差
电液伺服系统抗污染能力差,对工作油液的清洁度要求高,必须采取精细的过滤措施;电动伺服系统可在相对不太清洁的环境下工作,对外界环境条件不太敏感,有很强的抗污染能力。
(4) 密封性要求高
电液伺服系统对密封性要求很高,如果密封装置设计制造和使用维护不当都容易引起泄漏;电动伺服系统对密封性要求较低。
(5) 可检测性差
为了确保伺服系统产品质量,伺服系统在导弹总装厂、技术阵地、待机阵地和发射阵地都必须进行检测,是否可检测或检测是否易于进行,也往往是选择推力矢量控制系统方案时要考虑的一个重要问题。电液伺服系统的状态参数多,往往又是非电量,需经过各种传感器和二次仪表进行转换和显示、记录,因此检测设备比较复杂;电动伺服系统的状态参数少,且可直接测量,检测工作易于进行,检测设备简单。
(6) 可维护性差
由于电液伺服系统有泄漏存在,因此必须定期补液,当使用蓄能器时,需要定期补气,工作一段时间后需要更换过滤器,使用维护性能差;电动伺服系统基本上不需要进行维护,使用维护好。
(7) 经济性差。
电液伺服系统成本高、结构复杂,工艺要求高、技术难度大;电动伺服系统有许多标准可供选用,结构简单,工艺要求低,制造成本也低。
由于多种高能电池的出现,以及稀土材料的开发和应用,高性能稀土电机技术得到了迅猛发展,如衫钻磁钢不仅具有很高的导磁性能,而且具有很高的稳定性,用它做成的电机体积小、质量轻、负载特性好,其温度稳定性和抗冲击负载的稳定性都十分理想,电机的时间常数很小,可以做到几毫秒。基于高性能稀土电机技术的发展,电机伺服系统的研究被世界各国所重视,各种新型的电机伺服系统的控制技术也不断出现,如脉冲调宽控制技术、直流无刷电机驱动技术和变结构控制技术等。不少国家已在导弹上采用电动伺服系统,如法国的马特拉550导弹,俄罗斯的某型战术地地导弹等。与此同时,我国在电动伺服系统技术方面也得到较快的发展和应用,但目前我国以摆动喷管作为推力矢量控制方案的固体导弹上普遍应用的是电-液伺服系统。

固体导弹推力矢量控制伺服系统的组成

一般伺服系统都是由输入元件、反馈元件、比较元件、放大变换元件、执行元件、校正元件、控制对象及能源组成。但对推力矢量控制伺服系统而言,根据系统的具体情况不设置其中某些元件。
(1) 输入元件
输入元件将敏感到物理量转换为恰当的电量作为伺服系统的输入信号。伺服系统的控制指令是来自控制系统的电压或电液信号,因此,一般不设输入元件,控制指令也就是伺服系统的输入信号。
(2) 反馈元件
随时测量伺服系统的输出量,并将其转换为与控制指令具有同样性质的物理量,送至比较元件,与控制指令进行比较。
(3) 比较元件
将控制指令与反馈信号进行比较,产生误差信号,输入至变换元件。推力矢量控制伺服系统中,不单独设置比较元件,而是将控制指令和反馈信号在线路上接成负反馈,直接进行比较。
(4) 放大变换元件
将误差信号的能量形式(电气、液压、气动、机械)加以转换或放大,使转变成适当的能量形式,且其幅值和功率又能达到推动执行元件动作所需要的数量级。如固体战略导弹电液伺服系统中,放大变换元件为电子伺服放大器和电液伺服阀;电动伺服系统中,放大变换元件为前置放大器、功率放大器和伺服电机。
(5) 执行元件
产生控制动作,驱动负载完成控制任务,如电液伺服系统中的作动筒和电动伺服系统中的传动装置。
(6) 控制对象
就是伺服系统的负载,即固体导弹推力矢量伺服系统中的摆动喷管。
(7) 校正元件(也称校正装置或校正网络)
是为改善伺服系统的控制性能而设置的。校正元件不是伺服系统的必备元件,是否需要,因系统而异,一般和性能指标和负载性质密切相关。
(8) 能源
伺服系统常用的能源有电池,电池—电机—泵,燃气发生器—涡轮—泵。

固体导弹推力矢量控制伺服系统的分类

不同的推力矢量控制方法对伺服系统提出了不同的要求,因此出现了不同类型的伺服系统。
(1) 按伺服系统输出量的特性分类:
1) 位置控制伺服系统
2) 速度控制伺服系统
3) 加速度控制伺服系统
4) 力控制伺服系统
用于推力矢量控制的伺服系统一般为位置控制伺服系统。
(2) 按输出功率的大小分类
1) 功率伺服系统
2) 仪表伺服系统
一般功率在几百瓦以下的称为仪表伺服系统功率范围在千瓦以上的称为功率伺服系统。
(3) 按输出量是否进行反馈分类
1) 闭环伺服系统
2) 开环伺服系统
用于推力矢量控制的伺服系统大多为闭环伺服系统。
(4) 按系统中信号和能量传递介质形式分类
1) 电液伺服系统包括电动泵式、燃气涡轮泵式、燃气挤压式和冷气挤压式等类型;
2) 燃气伺服系统包括燃气滚转和燃气位置伺服系统;
3) 电动伺服系统包括直流电动机型和离合器等类型。

固体弹道导弹推力矢量控制伺服系统的特点

(1) 与一般伺服系统相比较
一般伺服系统是指用于地面的军、民用伺服系统,如雷达伺服系统,地面发射装置伺服系统,冶炼设备的伺服系统等,与这些一般的伺服系统相比,导弹伺服系统具有以下特点:
(1) 质量小、体积小
为了充分发挥固体弹道导弹运载能力,应尽最大努力去减小伺服系统的结构质量,弹上可供伺服系统安装的空间有限,要求元器件小型化,整机集成化。因此,固体弹道导弹推力矢量控制伺服系统总是设计得相当紧凑。而一般伺服系统对质量和体积并不十分苛求。
(2) 自备能源
固体导弹一般不能为推力矢量控制伺服系统提供能源,伺服系统必须自备能源装置。该能源可以是电池、压缩空气或固体推进剂燃气发生器等。因此,固体导弹伺服系统的概念与一般伺服系统不同,必须包括能源才能形成一个完整的伺服系统。
(3) 可靠性高
导弹是一次性使用的武器,发射之后伺服系统一旦发生故障无法自行排除。因此,和伺服系统和弹上其它产品一样,必须有高可靠性。
(4) 环境适应能力强
固体弹道导弹推力矢量控制伺服系统必须经受固体发动机工作过程中产生的强烈振动、冲击的考验;在运输、贮存过程中还要经受高低温、潮湿和盐雾等的作用;还应能经受核辐射的影响。因此,伺服系统必须进行环境设计,必要时还应采取核加固措施。因此,推力矢量控制伺服系统与工作在一般环境条件下的地面伺服系统相比,环境适应能力要强得多。
(5) 工作时间短
和一般伺服系统不同,推力矢量控制伺服系统工作时间都较短。产品出厂后,只在库房进行定期检测,在导弹总装厂和技术阵地进行单元测试,在发射阵地只进行检查。在导弹飞行中,各级伺服系统一般也只工作几分钟左右便完成其使命。普通伺服系统一般均匀为长时间工作,至少是间歇地工作,工作时间远远超过弹上伺服系统。
(6) 代价高
导弹推力矢量控制伺服系统加工精度要求高,批量小;试验多,要求比较苛刻,需要较长的研制周期,比一般伺服系统的价格要昂贵得多。
(2) 与液体导弹推力矢量控制伺服系统相比较
1) 工作环境恶劣
固体导弹在起飞时推力上升很快,起飞加速度很大,伺服系统要经受内部的高温和外部的振动、冲击和过载等力学环境的考验。
2) 集成化程度要求高
由于固体导弹结构上限制,可供伺服系统安装的有效空有限,要求伺服系统的体积小,结构设计应当紧凑合理。
3) 负载性质不同
液体导弹与固体导弹推力矢量控制伺服系统的负载性质不同,前者的负载为摇摆液体火箭发动机,惯性负载在总负载中占有相当大的比重;后者的负载一般是摆动喷管,惯性负载只占总负载的很小一部分,主要部分是摩擦负载。伺服系统的方案选择与负载性质的关系十分密切。

摘自:刘宏博《导弹推力矢量控制电动伺服系统设计》,西北工业大学硕士论文,2006年

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吴燕生调研18所
来源: 中国航天报     日期:2012/08/13
  中国航天科技集团公司副总经理吴燕生近日到一院18所调研。吴燕生全程观看了该所机电伺服系统演示试验,并对试验成功给予充分肯定。他指出,大功率机电伺服技术具有良好的应用前景,希望18所继续发扬“不畏艰难、自主创新”的优良作风,加快机电伺服系统工程化研制步伐,深入研究,进一步提升技术的成熟度。

黄玉平:打造伺服技术发展的“双翼”
来源: 中国航天报     日期:2013/04/28
  中国航天科技集团公司一院18所的黄玉平长期从事精密机电控制设备相关领域的基础研究和新技术、新产品的开发工作,是新一代伺服技术的领军人才
  作为一名预研项目的副总师,黄玉平具有非常强的探索和创新意识。他作为主要负责人研发的多种样式的机电伺服作动器等均属于原创技术。同时,他注重将创新与知识产权保护紧密结合起来,在创新路上每走一小步,知识产权保护就要跟进一大步。围绕伺服系统、数字伺服控制、液压伺服作动器、伺服液压源等关键技术创新点,他会源源不断地提出各种专利技术方案。有时,他还结合研发策略,对创新点进行剖析、筛选以及合理推测,进一步促进了创新工作。
  截至目前,黄玉平已申请专利62件,有14件获得授权。仅2012年,他就申请专利23件,有6件专利获得授权,基本实现了对核心技术的布局式保护。有效的知识产权保护为项目立项增加了谈判的筹码,为创新成果转入型号应用提供了保障,对创新活力的迸发起到了十分重要的激励作用。
  将机电伺服系统做到更大功率,实现运载火箭及型号产品全电动化是黄玉平项目团队追求的创新目标;而着眼于创新点,实现从技术到产品、从方案到材料的全面知识产权保护,是他们努力实现的知识产权目标。如今,项目创新与知识产权保护已经成为他们引领伺服技术发展的“双翼”。

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2006年以来,北京精密机电控制设备研究所(航天科技集团公司一院18所)在机电伺服技术等研究领域取得了突出成绩,突破了中、大功率机电伺服机构的系列技术难题,圆满实现了机电伺服技术“1.5kW、3.5kW、10kW 功率级别三步走”的战略规划目标,掌握了基于大功率永磁同步伺服电机的驱动核心技术、机电伺服系统控制核心技术、高精度高过载机电伺服机构技术、伺服动力电源及其能源管理技术、大功率机电伺服试验及测试技术等系统性技术,并达到世界领先水平。(摘自《航天工业管理》2013.6)

航天科技八院控制所大功率机电伺服系统为国内首创
来源: 中国航天报     日期:2013/11/13
近日,中国航天科技集团公司八院控制所固体助推机电伺服系统完成了原理样机产品总装和性能测试,充分验证该系统满足新一代运载火箭需求,具有结构简单、重量轻、可靠性高、测试维护方便等特点,拓展了机电伺服系统在运载领域的应用,为国内首创。
该系统的成功研制标志着输出功率达20千瓦的大功率机电伺服系统正式登陆运载领域,突破了高响应、小体积的伺服系统一体化设计技术,使其在确保性能的前提下,达到小体积及高比功率,使得大功率机电伺服系统的动静态性能达到了国内外同类产品的最优性能,具有极大的应用价值和极强的创新性。
大功率机电伺服系统将主要用于运载火箭特别是新一代运载火箭,能够满足该系列运载火箭对快速发射、测试维护方便、可靠性高的需求,为新一代运载火箭的后续发展奠定了基础。

“5kW级机电伺服系统技术研究”获国防科技进步一等奖
来源:中国运载火箭技术研究院  时间:[2014-03-12] 
    近日,北京精密机电控制设备研究所“5kW级机电伺服系统技术研究”项目在国防科工局评审的航空、航天、船舶、兵器等1000多个项目中脱颖而出,喜获2013年国防科技进步一等奖。
     北京精密机电控制设备研究所自主研发的“5kW级机电伺服系统技术”,经过10年攻关,突破了中、大功率航天机电伺服系统主要关键技术,获得了一系列具有 自主知识产权的创新成果,建立了比较完整的航天机电伺服技术体系和协作配套体系。该技术填补了国内航天机电伺服推力矢量控制领域的空白,总体技术指标达到 国际先进水平,具有重大应用价值和社会效益。

我国首次实现伺服系统“全电化”
来源: 中国航天报     日期:2014/04/04 
近日,由中国航天科技集团公司一院18所研制的“全电伺服”系统,在某型号飞行演示验证试验中取得圆满成功。该技术是我国首次实现伺服系统的“全电化”
伺服系统在控制飞行姿态的过程中,发挥着“操纵方向盘”的作用。伺服系统的“全电化”,是指弹(箭)各级推力矢量控制(或空气动力控制)全部采用机电伺服系统方案,替换原有的燃气液压或电动液压伺服系统方案,实现弹(箭)机电伺服技术的一体化。
全电伺服系统具有小型化、轻质化、集成化等特点,与传统伺服系统相比,其工作时间和动态性能具有明显提升。全电伺服技术的应用可大幅提高弹(箭)控制系统的稳定性和可靠性。后续,这项技术也可应用于航空、航天、船舶等多个领域,具有广阔的应用前景。(黄玉平

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《航天机电伺服系统》,黄玉平、李建明、朱成林 著,中国电力出版社,2013年

内容简介
   《航天机电伺服系统》系统、详细地介绍了航天机电伺服系统技术发展及各部件的关键技术。全书共分为9章。第1章介绍了航天伺服技术的特点,机电作动器技术发展情况及航天机电伺服系统的关键技术,论述了机电伺服系统中的新型伺服控制算法。第2章详细论述了航天伺服电动机的工作原理和结构特点。第3章对伺服电动机控制算法进行详细阐述,讨论了各控制方法的工作原理,推导了控制策略及控制算法数学模型。第4章介绍了机电伺服系统中常用传感器的特点、分类及工作 原理。第5章详细论述了传动机构各种类型、结构形式、工作原理、结构参数计算方法和性能测试方法。第6章特别列举了现有国内外相关新型航天作动器专利,总 结出了航天机电作动器研究方法。第7章主要就航天伺服用动力电源进行详细论述。第8章主要讲解了航天机电伺服系统总体设计技术。第9章针对机电伺服系统在 军事及其他领域的应用情况进行列举。
作者简介
    本书作者为北京精密机电控制设备研究所总研究师,历任航天型号伺服系统主任设计师和伺服技术研发中心主任,承担了大量的国家航空航天伺服系统科研项目。本书是他所带领的研究团队长期科研工作的总结和提高,对从事类似工作的工程技术人员有相当的指导意义。

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2005年6月巴黎航展上,美国Goodrich公司宣布,EADS已与该公司签订一项合同,为M51导弹研制末助推级的推力矢量控制(TVC)系统。此前,Goodrich公司已经为M51导弹的第一和第二级发动机研制了推力矢量控制系统。M51导弹是世界上第一种全面采用机电作动器(Electro-Mechanical Actuation, EMA)的弹道导弹。与传统的液压作动器相比,EMA具有推力大、速度高、动态特性好、频响快、控制精度高、能耗量低、体积小、质量轻和无污染的优点,具有机上测试能力, 可以提高可靠性、简化操作和降低成本,已广泛用于新一代运载火箭,如美国德尔它4、宇宙神5、日本H-2A(SRB-A)和我国的CZ-5系列等。(摘自:《法国M51导弹试验解析》)

航天一院18所研制的这个“全电伺服”系统,会不会是给我国新一代潜地洲际弹道导弹配套的呢?
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