部分氣動執(zhí)行機構(gòu)及其應(yīng)用

姚曉先，黃一鳴

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

部分氣動執(zhí)行機構(gòu)及其應(yīng)用

姚曉先，黃一鳴

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

介紹了氣動舵機和射流執(zhí)行機構(gòu)的分類和工作原理，分析了不同氣動舵機和射流執(zhí)行機構(gòu)的特點和應(yīng)用情況，根據(jù)射流執(zhí)行機構(gòu)的工作特性，認(rèn)為其將在防空反導(dǎo)導(dǎo)彈中得到廣泛應(yīng)用。

氣動舵機；射流執(zhí)行機構(gòu)；制導(dǎo)武器；氣壓控制

0 引言

氣壓控制技術(shù)由于成本低、適應(yīng)溫度范圍廣，在制導(dǎo)武器中得到廣泛應(yīng)用，如導(dǎo)彈的壓縮空氣彈射裝置、燃?xì)庹魵鈴椛溲b置、氣動舵機、射流執(zhí)行機構(gòu)、翼張機構(gòu)、拋撒機構(gòu)、鎖緊與解鎖裝置、助力保壓系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)等。本文主要介紹彈上氣動執(zhí)行機構(gòu),即氣動舵機和射流執(zhí)行機構(gòu)。

舵機是控制導(dǎo)彈或火箭飛行姿態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)，一般來講就是能夠根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)出的指令，驅(qū)動舵片角度變化，產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，實現(xiàn)導(dǎo)彈或火箭飛行姿態(tài)控制的裝置；射流執(zhí)行機構(gòu)也是一種控制導(dǎo)彈或火箭飛行姿態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)，但其不是靠改變舵片角度控制彈體姿態(tài)的，而是靠射流改變主發(fā)動機噴射的流體方向?qū)崿F(xiàn)對彈體姿態(tài)的控制。

1 氣動舵機

當(dāng)氣動舵機按工作原理進行分類時，一般可分為線性舵機（或閉環(huán)舵機）和非線性舵機或脈寬調(diào)制舵機（或開環(huán)舵機）。線性舵機系統(tǒng)一般是典型的位置或角度伺服系統(tǒng)，輸出與輸入控制信號成線性關(guān)系。脈寬調(diào)制舵機系統(tǒng)的工作原理是將連續(xù)的控制信號經(jīng)脈寬調(diào)制器轉(zhuǎn)換成脈沖信號，脈沖的寬度與輸入量成比例，脈沖的頻率和幅值不變，由于脈沖寬度不同，舵片或氣流在相應(yīng)位置的時間不同，其在給定的周期內(nèi)產(chǎn)生的平均作用力或力矩不同，從而實現(xiàn)導(dǎo)彈的姿態(tài)控制。實際上在脈寬調(diào)制舵機控制過程中導(dǎo)彈彈體起了解調(diào)作用，所以舵機的脈寬調(diào)制的頻率（也稱載波頻率）必須大于彈體固有頻率的5倍以上，這時脈寬調(diào)制舵機才能取得預(yù)期的控制效果。

脈寬調(diào)制舵機是最早應(yīng)用于導(dǎo)彈姿態(tài)控制的執(zhí)行機構(gòu)之一。其特點是脈寬調(diào)制（PWM）舵機的各部件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，與線性舵機相比該種舵機的加工工藝性好，成本較低，目前在國內(nèi)外導(dǎo)彈上還有廣泛的應(yīng)用。如美國的TOW式反坦克導(dǎo)彈，我國的HJ-73反坦克導(dǎo)彈和俄羅斯的薩姆-6地空導(dǎo)彈等。在旋轉(zhuǎn)彈中，早期大部分舵機或執(zhí)行機構(gòu)都采用這種脈寬調(diào)制舵機。

圖1是美國TOW式導(dǎo)彈舵機和氣源系統(tǒng)的工作原理圖。它由氣瓶、電爆閥、減壓閥、電磁閥、差動缸和放大器等組成。其中，氣瓶、電爆閥和減壓閥合稱為氣源系統(tǒng)；電磁閥與差動缸一般俗稱舵機，在舵機系統(tǒng)中共有4套，每1套獨立控制一個舵片，圖1中只畫出了一個閥缸部分。其工作過程為舵機系統(tǒng)開始工作前，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)發(fā)出開啟氣源指令，該指令點燃電爆閥，氣瓶內(nèi)高壓氣體經(jīng)減壓閥減壓后進入差動缸有桿腔，同時進入電磁閥入口，差動缸無桿腔內(nèi)的氣壓由電磁閥的狀態(tài)控制。當(dāng)控制系統(tǒng)控制器輸出電壓V0為低電平時，電磁閥的開口位置如圖1所示，差動缸無桿腔接大氣，由于差動缸有桿腔接高壓氣，活塞縮回；當(dāng)控制器輸出電壓V0為高電平時，差動缸無桿腔接高壓氣，由于差動缸無桿腔活塞面積大于有桿腔活塞面積，活塞伸出；實現(xiàn)了按照控制系統(tǒng)的指令控制舵片上下擺動。

圖1中下部分的信號波形反映了舵機系統(tǒng)的工作原理。放大器將接到的控制信號Vi調(diào)制成脈寬信號驅(qū)動電磁閥開或關(guān)，差動缸帶動舵片根據(jù)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)上或下擺動，其控制效果可用下式表示

圖1 TOW式舵機工作原理圖Fig.1 The scheme of TOW pneumatic actuator

該種舵機系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，缺點是由于舵片經(jīng)常處在最大或最小位置，使彈體飛行時受到干擾，要損耗導(dǎo)彈一定的飛行力，同時，耗氣量也較大，一般應(yīng)用于鉸鏈力矩較小的旋轉(zhuǎn)彈上。

為克服脈寬調(diào)制舵機的缺點，利用長處，20世紀(jì)80年代美國在其動能彈上使用了脈寬調(diào)制線性化舵機。該種舵機的工作原理如圖2所示。與圖1脈寬調(diào)制系統(tǒng)比較，線性化系統(tǒng)只增加了反饋電位計，但其輸入與輸出成為線性關(guān)系。這種舵機實際是可以歸入線性舵機的范疇，但其工藝性好，成本低，目前受到廣泛的重視。我國一些導(dǎo)彈也使用了該種舵機。

圖2舵機系統(tǒng)的改進型是用兩個電磁閥分別控制進入和排出氣缸無桿腔的氣體，該結(jié)構(gòu)雖然增加了一個電磁閥，但耗氣量大大減少，理論上活塞不動時，系統(tǒng)不耗氣。該種氣動舵機系統(tǒng)可以應(yīng)用于要求工作時間較長的導(dǎo)彈上。

圖2 PWM線性化舵機工作原理圖Fig.2 The scheme of linearized PWM pneumatic actuator

氣動舵機按工作氣體性質(zhì)分為冷氣舵機和燃?xì)舛鏅C。燃?xì)舛鏅C是指工作介質(zhì)為高溫燃?xì)猓撊細(xì)庵饕獊碓从谌細(xì)獍l(fā)生器或為主發(fā)動機燃?xì)獾囊徊糠?。圖3是一個線性燃?xì)舛鏅C的工作原理圖。它主要由燃?xì)獍l(fā)生器、安全閥、過濾器、力矩馬達、射流管閥、氣缸和反饋電位計等組成。燃?xì)獍l(fā)生器的作用是產(chǎn)生高壓燃?xì)?，為舵機提供能源，燃?xì)獍l(fā)生器的能源是是固體推進劑，其燃燒速度與燃?xì)獾臏囟群腿紵覂?nèi)的壓力有關(guān)，一般溫度和壓力越高固體推進劑燃速越快，因此在不同溫度時燃?xì)獍l(fā)生器的輸出壓力不同；安全閥的作用是在燃燒室內(nèi)壓力高于給定值時泄掉一些氣體，確保系統(tǒng)不被損壞。

力矩馬達銜鐵與射流管固定在一起。當(dāng)來自控制系統(tǒng)的控制電壓輸入Vi=0，且反饋信號Vf=0時，驅(qū)動放大器輸出電流V0為零，力矩馬達銜鐵（或射流管）處在零位，射流管與兩接收口形成的兩個進氣過流面積相等，排氣過流面積也相等，經(jīng)射流管進入的高壓氣通過進氣節(jié)流面積射入氣缸I腔和II腔的氣體流量相等，經(jīng)過排氣節(jié)流面積流出的流量相等，兩腔壓力P1=P2，活塞不動；當(dāng)Vi>0，使V0>0，力矩馬達控制線圈有控制電流流過，銜鐵帶動射流管旋轉(zhuǎn)至與輸入電壓Vi相應(yīng)的角度，這時氣體進入氣缸I腔氣體流量增加，I腔壓力P1增加，相反，進入氣缸II腔氣體流量減少，壓力P2減小。壓力差△P=P1-P2對活塞產(chǎn)生的作用力使活塞向右運動，反饋電壓Vf增加，Vf的增加使放大器輸出V0減少，射流管轉(zhuǎn)角減少，最終活塞穩(wěn)定在與輸入控制信號Vi相對應(yīng)的位置，從而實現(xiàn)控制輸入信號Vi與舵偏角輸出或活塞位移y的線性比例控制。

當(dāng)圖3中的燃?xì)饽茉锤臑槔錃饽茉?，即將燃?xì)獍l(fā)生器、過濾器和安全閥換成高壓氣瓶、減壓閥（或帶安全閥的減壓閥）和電爆閥，該系統(tǒng)就是所謂的冷氣舵機，但二者的力矩馬達和射流管閥等部件的配合公差不同，主要是由于燃?xì)夤ぷ鲿r接觸燃?xì)獾牧慵冃未?，而不接觸的小。不過燃?xì)舛鏅C在冷氣時一樣工作，燃?xì)舛鏅C一般都是用壓縮空氣進行交付檢驗的。

燃?xì)舛鏅C系統(tǒng)中燃?xì)獍l(fā)生器一般使用端面燃燒的固體推進劑，其燃速幾乎是恒定的，所以燃?xì)舛鏅C使用的控制閥基本是恒流量閥，即在工作過程系統(tǒng)瞬時耗氣量近似一常數(shù)，如射流管閥和噴嘴擋板閥等。同時，燃?xì)舛鏅C控制閥的抗污染能力要強。目前，已有了負(fù)壓力指數(shù)的固體推進劑，即壓力升高，燃速降低，若應(yīng)用于舵機，系統(tǒng)的組成要有所改變。

圖3 燃?xì)舛鏅C工作原理圖Fig.3 The scheme of gas actuator

冷氣舵機一般要求控制閥耗氣量要少，這樣同樣容積的氣瓶才能工作較長時間。不論是燃?xì)舛鏅C還是冷氣舵機，一般它們的工作時間都限制在1min以內(nèi)。燃?xì)舛鏅C是由于燃?xì)鈿怏w溫度一般都在800℃以上，控制閥的溫度隨著工作時間增加而升高，其升高的上限受一些部件的限制，如線圈等。冷氣舵機的工作時間取決于高壓氣瓶容積的大小，該容積受彈體空間布局的約束。在一定氣瓶容積下，為增加舵機工作時間只能提高氣瓶充氣壓力，目前氣瓶充氣工作壓力高達50MPa以上。

氣體由于存在可壓縮性，因而氣動舵機承載能力不強，一般都應(yīng)用于輸出扭矩在100Nm或50Nm以下的場合。氣動舵機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，在小輸出功率的場合具有較強的競爭優(yōu)勢，尤其是彈體結(jié)構(gòu)空間受到限制的導(dǎo)彈。不過俄羅斯有輸出力達10000N的氣動舵機。

圖3中的燃?xì)舛鏅C和冷氣舵機目前國內(nèi)都有相關(guān)產(chǎn)品。輸出力達2000N，也研制過輸出力為8000N的產(chǎn)品，它們頻響能夠達到20Hz以上。

氣動舵機除以上介紹的舵機外，還有一種充壓式舵機。充壓式氣動舵機的氣源即不是燃?xì)庖膊皇菤馄坷锏膲嚎s氣，而是利用導(dǎo)彈或火箭飛行中高速空氣流轉(zhuǎn)換成壓力能來作為舵機的能源。具體工作原理如圖4所示，當(dāng)高速氣流進入彈體經(jīng)過濾器后滯止為壓力P的氣體，該氣體作為舵機的能源驅(qū)動差動缸工作，完成系統(tǒng)的控制功能。這種充壓舵機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作時間不受限制，彈體飛行速度越快，滯止壓力越高，但要損失一定的飛行動力，使導(dǎo)彈射程減少。在彈體飛行速度處于亞臨界或臨界狀態(tài)，滯止壓力小于0.1MPa，因此該種舵機一般應(yīng)用于驅(qū)動力矩不大的場合，為提高舵機系統(tǒng)的頻寬，使系統(tǒng)處于低阻尼狀態(tài)，如前蘇聯(lián)一種應(yīng)用與旋轉(zhuǎn)彈的沖壓線性舵機，其舵機最大輸出角為15°，但其自由振蕩頻率和幅值是50Hz左右和8°。敢于應(yīng)用這種性能的舵機到彈上，需要總體設(shè)計師的水平和膽量。目前我國也有類似的沖壓式舵機在應(yīng)用。

圖4 充壓舵機工作原理圖Fig.4 The scheme of the pneumatic actuator of charging pressure

從以上關(guān)于氣動舵機的特點可知氣動舵機種類較多，比較適合不同彈體的結(jié)構(gòu)布局，其輸出功率較小，多應(yīng)用在小型導(dǎo)彈或火箭上，如反坦克導(dǎo)彈、空-空導(dǎo)彈及地-空導(dǎo)彈等。

2 射流執(zhí)行機構(gòu)

射流執(zhí)行機構(gòu)基本是按脈寬調(diào)制方式工作的，射流執(zhí)行機構(gòu)也和氣動舵機相似，品種多種多樣。據(jù)已經(jīng)掌握的資料，目前主要有以下幾種類型的執(zhí)行機構(gòu)。

2.1 射流元件為最后輸出的執(zhí)行機構(gòu)

所謂射流元件就是用小氣流控制大氣流的流體功率放大元件。圖5是射流元件為最后輸出的射流執(zhí)行機構(gòu)工作原理圖。來自燃?xì)獍l(fā)生器的主氣流從入口S處射入后，如a處有控制流，b處無控制流，也就是電磁閥A打開，電磁閥B關(guān)閉。那么，在流過A閥控制氣流的作用下，主氣流從C口噴出，該氣流產(chǎn)生一個向右的力f1；當(dāng)電磁閥B打開，電磁閥A關(guān)閉，主氣流從D口噴出，產(chǎn)生一個向左的力f2。當(dāng)電磁閥A和B在同一載波周期內(nèi)處于開啟狀態(tài)時間相同，其產(chǎn)生的平均作用力為零，對彈體不產(chǎn)生控制效果，否則有控制作用。該閥也稱為超音速射流雙穩(wěn)閥，是因為當(dāng)控制氣流消失后，若沒有其它控制氣流出現(xiàn)，主氣流由于附壁效應(yīng)，不會改變射流方向。也由于該原因，其流道有一定長度要求。

圖5 射流元件為最后輸出的執(zhí)行機構(gòu)Fig.5 The actuator of The final output in a fluidic amplifier

對于該射流執(zhí)行機構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)是氣流產(chǎn)生的控制力f1和f2的大小及從給控制閥信號到氣流換向的時間間隔，也稱切換時間。圖6給出了控制電磁閥的開關(guān)信號與射流力的時間關(guān)系。其中，第一條曲線是控制信號，高電平為A閥開啟指令，低電平為B閥開啟指令；第二條曲線是氣流產(chǎn)生的控制力；t1和t3是延時時間，t2和t4是氣流換向時間；t1＋t2與t3＋t4就是切換時間。另外，t1與t3、t2與t4的一致性也是脈寬調(diào)制舵機的主要技術(shù)指標(biāo)。除此之外，脈寬調(diào)制的載波頻率也是該類型系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

圖6 控制信號與射流力的關(guān)系Fig.6 The relationship between control signal and fluidic force

俄羅斯的旋風(fēng)火箭彈就是采用圖5所示射流執(zhí)行機構(gòu)進行初始段修正。其換向時間在8ms左右。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，同時氣流切換不完全，即當(dāng)主氣流從C口射出時，D口也有一定的流體流出，控制效果降低。我國也有類似的產(chǎn)品應(yīng)用。

當(dāng)圖5射流執(zhí)行機構(gòu)中控制閥A和B入口不接高壓氣源Ps，而直接接大氣，形成負(fù)壓切換射流元件。該種射流元件工作狀態(tài)是當(dāng)A閥通電B閥不通電，主氣流從D口流出（同接高壓氣源流動狀態(tài)相反）。該種射流元件稱為負(fù)壓切換元件，工作狀態(tài)受外界環(huán)境氣壓影響較大。我國和俄羅斯都有相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

2.2 射流元件為中間級功率放大執(zhí)行機構(gòu)

圖7是射流元件為中間級功率放大執(zhí)行機構(gòu)原理圖。它主要由機電轉(zhuǎn)換元件、射流元件和開關(guān)閥組成。其工作原理是高壓氣從射流元件的高壓進氣口輸入，氣體一部分進入控制腔，主氣流進入射流區(qū)，當(dāng)電機轉(zhuǎn)換元件的線圈1通高壓電，線圈2無電流時，銜鐵順時針轉(zhuǎn)動至將噴嘴2封住，進入控制腔的氣流經(jīng)噴嘴1至控制口1，在該氣流作用下，從高壓進氣口進入射流區(qū)的主氣流向下偏轉(zhuǎn)，從噴口2輸出，同時開關(guān)閥的閥芯在氣流作用下，將噴口1堵死。當(dāng)線圈2通電，線圈1無電流，主氣流從噴口1輸出。當(dāng)線圈1和2分別加高電平和低電平或低電平和高電平，就實現(xiàn)了氣流方向的控制。該射流元件的特點是無控制氣流泄流，效率高。

圖7 射流元件為中間級功率放大執(zhí)行機構(gòu)Fig.7 The actuator in the middle of fluidic amplifier

為實現(xiàn)大流量控制，射流元件部分需要多級放大，射流元件每級流量放大倍數(shù)一般在10倍左右。美國標(biāo)3的射流執(zhí)行機構(gòu)采用了相似的工作原理。其換向時間在5ms以內(nèi)。

2.3 換向閥式射流執(zhí)行機構(gòu)

換向閥式射流執(zhí)行機構(gòu)比較簡單，其主要部分就是如圖7中的開關(guān)閥，其閥芯的換向由氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)直接驅(qū)動，由于開關(guān)閥結(jié)構(gòu)的不同和換向執(zhí)行機構(gòu)的不同，該種類射流執(zhí)行機構(gòu)多種多樣，其特點是工作原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，容易設(shè)計，可應(yīng)用在體積受限要求控制流量大的場合，但運動部件較多，工作時間可能受到限制。

射流執(zhí)行機構(gòu)控制效果不受環(huán)境影響、響應(yīng)快，在導(dǎo)彈控制執(zhí)行機構(gòu)中越來越受到重視，應(yīng)用不斷增加，尤其在防空反導(dǎo)導(dǎo)彈的控制上。

3 結(jié)論

在彈上應(yīng)用的氣動執(zhí)行機構(gòu)很多，以上主要論述了主要的幾種，也是我們進行過研制的內(nèi)容。在其中最具發(fā)展?jié)摿Φ氖巧淞鲌?zhí)行機構(gòu)，如美國標(biāo)3導(dǎo)彈用多組射流執(zhí)行機構(gòu)完成彈體的俯仰、偏航和變軌控制。在15000m以上的空間或臨界空間，若實現(xiàn)彈體的機動飛行，直接力控制或推力矢量控制是必然的選擇，而射流執(zhí)行機構(gòu)是連續(xù)推力矢量控制的方式之一。

由于機電伺服技術(shù)的快速發(fā)展，氣動舵機正面臨著電動舵機的擠壓，其應(yīng)用范圍越來越窄。不過由于目前我國適合導(dǎo)彈舵機的電機、減速器及驅(qū)動放大器的成本問題，氣動舵機以其成本低的特點，還是受到了人們的重視。隨著新型材料研究的進展，一些新的機電轉(zhuǎn)換元件被研制，新型的氣動閥也不斷出現(xiàn)，相信今后在彈上會有新的氣動系統(tǒng)的應(yīng)用。

另外，由于低溫高壓清潔新型固體推進劑的問世，也可能給氣動舵機帶來大的轉(zhuǎn)機。

[1]王偉,郭英然,王仕成.小型閉環(huán)比例氣動舵機建模技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2004(S7).

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Some PneumaticActuators and TheirApplications

YAO Xiao-xian,HUANG Yi-ming
（School ofAerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

The work principles and characteristics of pneumatic actuators and fluidic amplifier valves are introduced,the developmemt trend of pneumatic control technology in guidance missile is forecasted according to the characteristics of the pneuamic actuators and the fluidic amplifier devices.

Pneumatic actuator;Fluidic amplifier;Guidance missile;Pneumatic control

TJ762

A

2095-8110（2015）02-0027-07

2014-11-18；

2015-01-09。

姚曉先（1958-），男，教授，主要從事伺服控制方面的研究。E-mail:yxx11@bit.edu.cn