某型運(yùn)載火箭助推器組裝驅(qū)動裝置方案研究

郭哲星，李志剛，王　禹

1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094；2.中國人民解放軍73071部隊(duì)，江蘇 新沂　221400；

3.南京政治學(xué)院，南京　210094)

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某型運(yùn)載火箭助推器組裝驅(qū)動裝置方案研究

郭哲星1,2，李志剛1，王禹3

1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.中國人民解放軍73071部隊(duì)，江蘇 新沂221400；

3.南京政治學(xué)院，南京210094)

摘要：為了解決驅(qū)動大重量固體助推器與運(yùn)載火箭組裝的難題，研究設(shè)計(jì)一種能夠智能驅(qū)動固體助推器與運(yùn)載火箭組裝的機(jī)電液一體化裝置，提出了該驅(qū)動裝置的總體研制方案、液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和上下位機(jī)控制系統(tǒng)方案；該方案基本上能夠完成助推器組裝所需各項(xiàng)功能，達(dá)到研究目的。

關(guān)鍵詞：運(yùn)載火箭助推器；方案研究；液壓伺服系統(tǒng)

本文引用格式：郭哲星，李志剛，王禹.某型運(yùn)載火箭助推器組裝驅(qū)動裝置方案研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(1):62-65.

Citation format:GUO Zhe-xing, LI Zhi-gang, WANG Yu.Research on Driving Device for Assembling Rocket Booster[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):62-65.

運(yùn)載火箭技術(shù)既可以應(yīng)用于國防軍事裝備，又可以開發(fā)宇宙空間資源，是發(fā)展空間科學(xué)技術(shù)的重要手段和工具。通過二十多年的技術(shù)發(fā)展,我國運(yùn)載火箭在液體助推捆綁方面取得了長足發(fā)展,但在固體助推火箭方面還處于空白，隨著我國固體火箭技術(shù)的不斷發(fā)展,固體火箭的可靠性不斷提高,成本也在不斷降低,加上固體火箭特有的使用維護(hù)簡單,配套工程簡單,使用性能較好等特點(diǎn),已經(jīng)基本具備了作為助推火箭的條件[1]。采用高性能液體芯級捆綁固體助推器，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力階梯化，降低單位有效載荷發(fā)射成本，有效提高火箭任務(wù)的適應(yīng)性和靈活性[2-4]。

某型火箭是我國首個(gè)捆綁固體助推器運(yùn)載火箭。本文將分析捆綁運(yùn)載火箭在組裝時(shí)的技術(shù)要求，綜合考慮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出一種基于發(fā)射平臺，通過力的反饋信息，調(diào)整液壓推桿的力和行程，使助推器在平面上可以全向運(yùn)動，具有一定智能的火箭助推器組裝驅(qū)動裝置。本課題的設(shè)計(jì)與研究極大地提高了捆綁式火箭組裝的可靠性和效率，較大地縮短捆綁火箭的組裝時(shí)間。在捆綁火箭發(fā)展的空間中，本課題有很大的技術(shù)研究和實(shí)際運(yùn)用意義。

1設(shè)計(jì)指標(biāo)

組裝驅(qū)動裝置具體布局按圖1所示；液壓推力裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)固體助推器的徑向和切向移動，推力作用總行程不小于200 mm，行程精度不大于0.1 mm；液壓推力裝置所提供的推力不高于10 kN，并且推力可調(diào)，調(diào)節(jié)精度優(yōu)于1 kN；液壓推力裝置工作過程中為確保推力和行程精確控制，要求通過控制軟件實(shí)現(xiàn)自動控制，控制軟件可以根據(jù)固體助推器步進(jìn)要求實(shí)時(shí)調(diào)整液壓推力裝置推力和行程，另外控制軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)兩臺推力裝置在提供徑向推力時(shí)動作同步；同體組裝過程液壓推力裝置放置在發(fā)射塔架操作平臺上，為滿足支承剛度和推力方向要求，需設(shè)置與操作平臺固連的支架，支架具備對液壓推力裝置推力線與水平面夾角的的調(diào)整能力，調(diào)整精度不低于1°；由于固體助推器存在質(zhì)心橫移現(xiàn)象，需確保助推器在推力施加過程僅進(jìn)行橫向運(yùn)動、不發(fā)生滾動；因火箭故障狀態(tài)需拆開后捆綁機(jī)構(gòu)，要求液壓推力裝置提供拆回拉力，該拉力與推力方向相反，相關(guān)參數(shù)要求與推力相同。

圖1　組裝驅(qū)動裝置布局

2總體方案的確定

根據(jù)方案設(shè)計(jì)的一般思路[5]，如圖2所示,對本課題進(jìn)行逐步分析。

2.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

結(jié)合本課題實(shí)際逐一分析，設(shè)計(jì)時(shí)存在的難點(diǎn)有：驅(qū)動裝置與助推器對接和助推器與運(yùn)載火箭對接時(shí)都存在對中問題；推力大、精度高，且液壓缸行程、推力可調(diào)；組裝工作條件苛刻，一方面工作平臺高，另一方面火箭芯級和助推器、助推器和助推器之間的位置較近，在保持安全距離的情況下工作造成困難；因火箭故障狀態(tài)時(shí)需拆開后捆綁機(jī)構(gòu)，液壓推力裝置提供拆回拉力比較難實(shí)現(xiàn)；

2.2設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)以上分析存在的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3所示a、b兩種方案。方案a是通過一對可以開合的機(jī)器手抱住助推器，由后方的動力模塊驅(qū)使助推器運(yùn)動。方案b是通過4個(gè)液壓缸的協(xié)同伸縮，使助推器在平面內(nèi)運(yùn)動。方案a通過分析存在以下問題：手臂在準(zhǔn)備抱助推器時(shí)定位較難，可能出現(xiàn)抱合不準(zhǔn)確或者無法抱合的情況；手臂在抱合助推器后，在抱著助推器運(yùn)動的過程中不容易獲得各個(gè)方向力的大小，從而不能給下位機(jī)提供調(diào)整液壓推力裝置所需的反饋信息。對方案b分析：發(fā)現(xiàn)該方案簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但存在一個(gè)巨大隱患，在液壓推板推動助推器過程中，液壓推板和助推器殼體會產(chǎn)生相對滑動，雖然相對滑動距離很小，但是滑動摩擦力可能會對助推器殼體造成應(yīng)力變形，對運(yùn)載火箭整個(gè)系統(tǒng)帶來巨大的安全隱患，不符合設(shè)計(jì)要求。

圖2　方案設(shè)計(jì)的流程

圖3　a、b兩種方案簡易視圖

綜上分析，為了安全可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)需求，可以綜合方案a和方案b，將助推器的固定和助推器的推動分為兩個(gè)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)：固定模塊和運(yùn)動模塊，如圖4所示。

圖4　方案c原理圖

固定模塊是由4固定助推器的液壓缸和兩個(gè)四連桿組成，四連桿通過兩個(gè)液壓擺動缸實(shí)現(xiàn)打開、閉合兩個(gè)動作，從而使固定模塊完成對助推器的抱合、固定功能。運(yùn)動模塊通過徑向運(yùn)動層和切向運(yùn)動層完成助推器的徑向運(yùn)動和切向運(yùn)動，為了達(dá)到設(shè)計(jì)需求的精度要求，徑向運(yùn)動層和切向運(yùn)動層都選用伺服電機(jī)滾珠絲杠作為傳動機(jī)構(gòu)。

3液壓系統(tǒng)的確定

機(jī)械裝置的動力源一般都是在電氣傳動和液壓傳動之間選擇，液壓傳動具有以下優(yōu)點(diǎn)：液壓傳動的元件，可以根據(jù)需要，方便、靈活布置；體積小，重量輕，功率-質(zhì)量比大，運(yùn)動慣性?。缓苋菀讓?shí)現(xiàn)直線運(yùn)動；很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動化控制[6]。本裝置的固定模塊采用液壓系統(tǒng)，由液壓缸、電液伺服閥、液壓站三部分組成，其中液壓站包括油箱、液壓泵、電動機(jī)、單向閥、蓄能器、濾油器、溢流閥、散熱器等，液壓系統(tǒng)如圖5所示。其中14、16、18、20為單活塞桿雙作用式液壓缸，通過切向支座方式安裝在固定模塊的四連桿上，為固定模塊提供固定推力；其中22、24為擺動液壓缸，通過軸向支座方式分別安裝在固定模塊四連桿的兩個(gè)主動桿上，為四連桿提供開合的轉(zhuǎn)動力；6個(gè)電液伺服閥直接安裝在液壓缸上?？紤]該裝置是高空作業(yè)，為了便于供油，將液壓站安裝在裝置安裝層上，通過管路與伺服閥相連。

1-油箱;2-供油泵;3-電動機(jī);4-普通單向閥;5-氣囊式儲能器;6-壓力表;7、28-濾油器; 8,9,10,11,12,13-電液伺服閥;14,16,18,20-單活塞桿雙作用式液壓缸;22,24-擺動液壓缸; 15,17,19,21-位移傳感器;23,25-角度傳感器; 26-溢流閥;27-散熱器

圖5執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4控制系統(tǒng)的確定

4.1TMS320F2812DSP簡介

整個(gè)裝置的控制系統(tǒng)的核心DSP，本課題通過調(diào)研選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型號DSP。32位的2812 DSP整合了DSP和微控制器的最佳特性，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運(yùn)算。此外，由于器件集成了快速的中斷管理單元，使得中斷延遲時(shí)間大幅減少，滿足了適時(shí)控制的需要。

F2812擁有許多獨(dú)一無二的特點(diǎn)，例如：可以在一個(gè)周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址完成讀取、修改、寫入操作，使得效率及程序代碼達(dá)到最佳。此外，還提供多種自動指令提高了程序的執(zhí)行效率，簡化了程序的開發(fā)。

針對嵌入式控制領(lǐng)域應(yīng)用的特殊要求，已推出一款針對F2812內(nèi)核的C編輯器，能夠提供非常杰出的1.1C匯編語言轉(zhuǎn)換比例。F2812 DSP的內(nèi)核還支持IQ變換函數(shù)庫，使研發(fā)人員很方便的使用便宜的定點(diǎn)DSP來實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。F2812DSP目前已達(dá)到150MIPS[7]。

4.2控制系統(tǒng)的簡介

裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其功能分為兩個(gè)部分：固定模塊，運(yùn)動模塊[8]。

(1)固定模塊：上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出助推器固定指令，下位機(jī)向?qū)庸潭K下達(dá)指令，伺服閥收到控制信號后，徑向運(yùn)動層接受指令，伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，按照0.1 mm的行程步進(jìn)，下位機(jī)根據(jù)液壓傳動推板力的反饋，分析兩個(gè)推板的受力情況，向切向運(yùn)動層發(fā)出修正指令，通過反復(fù)的徑向運(yùn)動和切向運(yùn)動的調(diào)整，使兩個(gè)推板力反饋信息大致相同，達(dá)到預(yù)定的位置，向下位機(jī)反饋到達(dá)預(yù)定位置的信息，下位機(jī)接受信息后向擺動液壓缸發(fā)送指令，擺動液壓缸擺動，帶動四連桿旋轉(zhuǎn)，前側(cè)兩個(gè)液壓缸到達(dá)預(yù)定位置，完成對助推器的抱合、固定。向下位機(jī)反饋助推器固定模塊已完成，下位機(jī)將信息反饋到上位機(jī)，提示可以進(jìn)行組裝操作[9]。

(2)運(yùn)動模塊：上位機(jī)接受下位機(jī)反饋信息后，向下位機(jī)下達(dá)組裝操作指令，首先是下層徑向運(yùn)動單元，按照步進(jìn)距離0.5 mm的行程在徑向推動助推器移動，在推動過程中，固定模塊推板上力傳感器時(shí)刻反饋到下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)反饋信息，及時(shí)調(diào)整徑向和切向運(yùn)動單元，如固定模塊右側(cè)前端推板受力比左側(cè)前端推板受力較大，下位機(jī)就會發(fā)出指令，命令運(yùn)動模塊中的切向運(yùn)動單元朝著左側(cè)運(yùn)動，從而使助推器在切向上向左側(cè)運(yùn)動，如此反復(fù)調(diào)整徑向和切向運(yùn)動單元，直至固定模塊左、右前推板力大小基本相同，說明助推器移動球心和芯級目標(biāo)球心在切向上基本無偏移，下位機(jī)向組裝操作模塊下達(dá)指令，徑向運(yùn)動單元按照步進(jìn)距離0.1 mm的行程推動助推器在徑向上移動，當(dāng)推板上力傳感器跳變時(shí)停止動作。

圖6　裝置控制系統(tǒng)總體框架圖

5結(jié)論

本文提出了某型運(yùn)載火箭助推器組裝驅(qū)動裝置的總體方案，揭示了該裝置研制的難點(diǎn)和要點(diǎn)；提出了液壓伺服系統(tǒng)的初始模型，基本明確了液壓伺服系統(tǒng)的功能和組成；提出了該裝置上下位機(jī)的控制系統(tǒng)，并對下位機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。

本文對某型運(yùn)載火箭助推器組裝驅(qū)動裝置方案的研制設(shè)計(jì)，提出了一種機(jī)電液一體化的具有一定智能的組裝驅(qū)動裝置，具有較強(qiáng)的研究意義和工程運(yùn)用前景。

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(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Research on Driving Device for Assembling Rocket Booster

GUO Zhe-xing1, 2, LI Zhi-gang1, WANG Yu3

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094,China;

2.No.73071stTroop of PLA, Xinyi 221400, China； 3.Nanjing Institute of Politics, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to solve the problem with assembling the high weight solid booster and the carrier rocket, we discussed and designed an intelligent mechanical-electrical-liquid integration device, which can assemble solid booster and the carrier rocket. By analyzing the task, putting forward solutions, integrating solutions, we put forward the overall design scheme of the device, the design of hydraulic servo system solutions and the control system scheme of upper and lower machine. Through demonstration analysis, this scheme can basically complete each function of assembling booster and rocket and achieve the purpose of the study.

Key words:carrier rocket booster；scheme research； hydraulic servo system

文章編號：1006-0707(2016)01-0062-04

中圖分類號：TH243+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.015

作者簡介：郭哲星(1989—)，男，碩士，主要從事機(jī)電液一體化研究。

收稿日期：2015-07-10；修回日期：2015-08-02