光纤惯导系统

保证对“天宫一号”姿态精确控制

    “天宫一号”飞行器像一位小仙女，在茫茫太空中翩翩起舞——它用于持续供电的太阳能帆板随着太阳位置缓缓转动，舱体绕地航行的姿态也随之慢慢调整。“天宫一号”怎样才能“翩翩起舞”呢？这就要靠惯性导航系统发挥作用。

    光纤惯导系统在“天宫一号”上的作用好比是人的眼睛，可以非常精确地感知飞行器的微小动作，并将数值实时发送给信息处理器，保证对飞行器的姿态精确控制。飞行器的任何运动都需要惯导系统先行提供运动基准，因此飞行姿态的精确控制首先源于高精度、高灵敏度的惯导系统。　　

    与在“神舟七号”和“神舟八号”上使用的小巧玲珑、“八音盒”级的光纤惯导系统相比，由院13所（时代光电公司）提供在“天宫一号”上使用的光纤惯导系统在外观上像一顶大号的“礼帽”，功能也较以往更加强大。

结构设计花心思

    年轻的型号研制队伍没有选择以往航天器惯导系统常常采用的三轴正交的设计方案，而是在参考了大量国内外航天器惯导系统方案的基础上，为“天宫一号”设计了六轴惯性测量组合方案——六个光纤陀螺环绕摆放，在功能上互为冗余。这样的异型设计方案在我国是首次使用，在国际上也不多见。　　

    由于结构特殊，“天宫一号”上使用的光纤惯导系统在抗振动、抗冲击、重量控制等方面有着特殊的要求。例如，尽量将所使用的各部分结构的数量减到最少，其次选用了经过稳定处理的铝合金和铁镍合金。既保证了金属部分的结构重量轻，刚度符合要求，又尽可能少受磁场影响，而且便于机械加工。在加工陀螺本体的特殊结构的过程中，由于加工的精度误差可能会对六个方向上输出的惯导信号精度造成影响，就连先进的数控机床也不能再“举重若轻”。

    不怕太阳晒

    如果有幸看到“天宫一号”上使用的光纤惯导系统，你一定会认为它非常“酷”――充满科技感的黑色的金属外观让它看起来非常像一个微缩版的“外星堡垒”。尽管“天宫一号”光纤惯导系统的功能强大，但是功率还不如我们日常读书用的台灯大。

    在热设计方面，该型号结构设计师把发热量大的元器件排布在靠外围的位置上，使产生的热量能够迅速耗散，通过热传导设计，使靠近内部、发热量小的元器件也能保持“冷静”。除了在整体结构布局上优化设计了散热通道外，内部元器件材质也尽可能地选用了发热量小、功耗低的新型器件。在对长期、大量的环境适应性试验试验数据研究的基础上，该型号队伍此前的光纤惯导系统先期产品已创下了在超低温太空环境下、在轨连续正常工作超过18000小时的纪录，因此，“天宫一号”上使用的光纤惯导系统在环境适应性和可靠性技术方面能够胜任为期两年的在轨工作任务。

    优化装配和测试

    打开黑色的外壳，“天宫一号”光纤惯导系统内部元器件和线缆高度集成的程度令人神清气爽而又叹为观止，电路板上焊点密布，各类电子元器件杂而不乱。

    由于内部部件众多，如何保证良好的装配操作性就成了棘手的问题。为此，型号设计人员和工艺人员对惯导系统内部走线进行了优化，在保证性能的前提下，尽量使走线合理、稳固、牢靠，同时便于装配人员操作，经过多轮改进设计，终于使内部走线具有良好的工艺性和可操作性。在装配完成后看到的六块电路板之间只有距离相等、整齐美观的细小缝隙，然而在装配时却由于内部线缆多、元器件之间距离近，电路板要安装到位、平整对称，对先后安装的顺序和装配手法都提出了相当高的要求。

　　同样，在装配完成后看到的各类线缆整齐地在周边走线和固定。然而这些毫米级粗细的线缆在前期的质量检验过程中却给检验员们“找了不少麻烦”，他们需要凭借这些纤细线缆上的编号对上百条线缆一一检验，另外由于该产品体积较大，在装配和检验过程中常常需要两人一蹲一站配合操作，非常需要耐心和细心。