飛艇矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

趙昌霞，榮海春，李 翔

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，合肥 230031)

0 引言

飛艇作為浮空器的一種，主要由輕于空氣的氣體(氫氣或氦氣)所產(chǎn)生的浮力而升空[1]。與傳統(tǒng)飛機(jī)、直升機(jī)相比，飛艇具有造價(jià)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、噪聲污染小、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)滯空停留、起降場(chǎng)地簡(jiǎn)單、覆蓋面廣闊的優(yōu)點(diǎn)，是理想的空中平臺(tái)，在預(yù)警探測(cè)、偵察監(jiān)視、通信中繼等軍事和民用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[2-3]。

飛艇的飛行工況與傳統(tǒng)飛行器相比，具有一定的差異性，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)飛艇推進(jìn)系統(tǒng)滿足飛艇垂直起飛和垂直著陸需求；(2)飛艇推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)空中風(fēng)向和風(fēng)力的變化實(shí)時(shí)調(diào)整推力方向；(3)飛艇應(yīng)能滿足定點(diǎn)駐空要求。因此飛艇在留空時(shí)除采用舵面調(diào)整飛行姿態(tài)外，同時(shí)還需矢量推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行空中姿態(tài)調(diào)整和飛行。實(shí)踐證明，飛艇矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)能滿足推力方向0°～270°內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

圖1飛艇垂直起飛時(shí)操作流程圖

圖1為飛艇垂直起飛時(shí)操作流程圖(圈內(nèi)為不同階段矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)置角度示意圖)，主要分為三個(gè)階段。第一階段：在起飛開(kāi)始時(shí)，通過(guò)觀察風(fēng)力大小，設(shè)置矢量推力機(jī)構(gòu)角度產(chǎn)生向前推進(jìn)的分量抵消風(fēng)的阻力，控制飛艇垂直起飛的航向和姿態(tài)，使飛艇保持垂直起飛；第二階段：在垂直上升階段，矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)接近垂直，控制飛艇上升姿態(tài)使其垂直上升；第三階段：當(dāng)飛艇達(dá)到安全高度后，矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)接近水平，進(jìn)入巡航飛行。圖2為某飛艇垂直起飛時(shí)矢量推進(jìn)狀態(tài)實(shí)物圖。飛艇垂直著陸操作流程與垂直起飛操作流程基本相同。由此可以看出，矢量推進(jìn)控制是實(shí)現(xiàn)飛艇垂直起飛、著陸及定點(diǎn)駐空等姿態(tài)控制的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 某飛艇垂直起飛時(shí)矢量推進(jìn)狀態(tài)

目前，矢量推進(jìn)控制方式主要有改變噴管姿態(tài)或改變螺旋槳及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙姿態(tài)兩種[4-5]。這兩種矢量推進(jìn)控制方式中，基于螺旋槳及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙姿態(tài)控制的模式，更適用于飛艇動(dòng)力裝置應(yīng)用。但由于飛艇自身低速、低動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，且其動(dòng)力裝置布局和艇身結(jié)構(gòu)均較特殊，不可能直接使用固定翼飛機(jī)的矢量推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)[6]。具有矢量推進(jìn)控制的新型飛艇一般采用錐齒輪或渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙及螺旋槳姿態(tài)調(diào)整，如Zeppelin NT 07型飛艇、俄羅斯RosAeroSystems Au-30飛艇和美國(guó)YEZ-2A(Sentinel 5000)等飛艇。但是采用錐齒輪或渦輪蝸桿形式的矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)重量較大、制造精度和成本相對(duì)較高，無(wú)法滿足現(xiàn)代飛艇輕量化、低成本的需求[7]。

針對(duì)飛艇輕量化、低成本的設(shè)計(jì)需求，本文利用鏈傳動(dòng)技術(shù)，結(jié)合某型號(hào)飛艇設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的需求，通過(guò)Pro/Engineer三維設(shè)計(jì)了一套雙發(fā)雙螺旋槳矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛艇的垂直起降和姿態(tài)控制。

1 幾何模型

本文所研究飛艇的矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向桿、轉(zhuǎn)向電機(jī)、鏈輪減速機(jī)構(gòu)、齒輪減速器和電機(jī)制動(dòng)器等組成。

其中轉(zhuǎn)向桿分為三段軸：一根中軸和兩根邊軸。中軸兩端由滾動(dòng)軸承支撐，邊軸與中軸通過(guò)法蘭連接，三段軸均采用空心管結(jié)構(gòu)。大鏈輪通過(guò)法蘭固定在中軸上，大小鏈輪之間通過(guò)鏈條傳遞轉(zhuǎn)矩。大鏈輪一側(cè)裝有齒輪，齒輪與角度傳感器的齒輪以1：1的傳動(dòng)比嚙合，其作用是將轉(zhuǎn)向桿的轉(zhuǎn)角信息等比傳遞給角度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向桿的位置信息反饋。因?yàn)榇颂廄X輪并不傳遞載荷，出于對(duì)減重的考慮，齒輪選擇樹(shù)脂類塑料制造。小鏈輪通過(guò)短軸與齒輪減速器連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪減速器、電機(jī)制動(dòng)器連成一體，作為小鏈輪動(dòng)作的動(dòng)力源。飛艇矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維圖如圖3所示。

圖3 飛艇矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維圖

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)尤為關(guān)鍵。其構(gòu)成及位置如圖4所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)支撐框架等結(jié)構(gòu)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐系統(tǒng)和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模。發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐系統(tǒng)的有限元模型如圖5所示。考慮到計(jì)算成本，對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，整體采用1/2模型，其中傳動(dòng)軸采用殼單元建模，發(fā)動(dòng)機(jī)支座、法蘭等采用實(shí)體建模，發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳等采用質(zhì)量單元模擬。在約束設(shè)置方面，軸承座法蘭采用螺栓約束，軸承支座支撐處采用固定約束，傳動(dòng)軸中部采用對(duì)稱約束[8]。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐系統(tǒng)有限元模型

鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模型中，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪采用實(shí)體單元建模，支撐結(jié)構(gòu)采用殼單元和實(shí)體單元結(jié)合的方式建模，傳動(dòng)軸采用殼單元建模[9]。利用HyperMesh軟件建立的有限元模型如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)有限元模型

從動(dòng)輪和傳動(dòng)軸部分：軸承座框架螺栓安裝處固定，傳動(dòng)軸端部法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)位移約束。主動(dòng)輪及其支撐結(jié)構(gòu)：支撐框架螺栓孔固定，傳動(dòng)軸端部轉(zhuǎn)動(dòng)位移約束。約束位置見(jiàn)圖7中的標(biāo)識(shí)區(qū)域。

圖7 結(jié)構(gòu)分析模型邊界約束條件

3 材料屬性及載荷工況

發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金5A06，鏈傳動(dòng)及其支撐結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金2A12，強(qiáng)度計(jì)算中使用的具體材料屬性如表1所示。

表1 有限元模型中的材料力學(xué)屬性

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)以及鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，在有限元計(jì)算中的載荷加載情況如表2所示。計(jì)算中還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了多工況分析，分析工況如表3所示。

表2 有限元計(jì)算的載荷加載情況

表3 有限元計(jì)算的分析工況

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)

應(yīng)用上文給出的強(qiáng)度分析方法，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、鏈傳動(dòng)及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)在不同工況載荷下的有限元計(jì)算結(jié)果

(a)傳動(dòng)軸軸承支座結(jié)構(gòu)應(yīng)力

(b)傳動(dòng)軸應(yīng)力

圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)及其支撐系統(tǒng)應(yīng)力分布。由表4和圖8的計(jì)算結(jié)果可知，各工況下的變形量相對(duì)較小，滿足剛度要求。發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，發(fā)動(dòng)機(jī)支架板最大應(yīng)力發(fā)生于加速度過(guò)載±45°工況下，即發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向傾斜向上時(shí)，最大應(yīng)力幅值為39.7MPa，材料為5A06，屈服極限是155MPa，取安全系數(shù)為1.5，則安全裕度δ1為：

(1)

滿足強(qiáng)度要求。

4.2 傳動(dòng)及其支撐結(jié)構(gòu)

鏈傳動(dòng)及其支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表5所示，圖9給出了主動(dòng)輪及其支撐結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。

表5 鏈傳動(dòng)及其支撐結(jié)構(gòu)在不同工況載荷下的有限元計(jì)算結(jié)果

(a)整體變形

由表5和圖9可知，傳動(dòng)軸應(yīng)力最大值位于傳動(dòng)軸上銷釘連接區(qū)域，為178MPa，材料為2A12，屈服極限是275MPa，取安全系數(shù)為1.5，則安全裕度δ2為：

(2)

傳動(dòng)軸在當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下滿足1.5的安全系數(shù)，滿足強(qiáng)度要求。

需要注意的是，本文的強(qiáng)度分析模型存在一定程度的假設(shè)，未考慮蝸輪蝸桿傳動(dòng)、軸承與轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的間隙，材料特性、邊界條件等不能在計(jì)算中進(jìn)行完全真實(shí)的模擬，后續(xù)研究中需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某飛艇動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析，采用Pro/E進(jìn)行三維建模，基于Hypermesh進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，對(duì)典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)、鏈傳動(dòng)及其支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，主要結(jié)論如下：

(1)各工況下主要結(jié)構(gòu)的變形量相對(duì)較小，滿足剛度要求；

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的最小安全裕度為1.6，滿足強(qiáng)度要求，但強(qiáng)度裕度較大，可進(jìn)一步減輕重量；傳動(dòng)軸的最小安全裕度為0.03，滿足強(qiáng)度要求。

(3)本文提出的分析方法可以用于飛艇矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析，為后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

[1] 庫(kù)利G A,吉勒特 J D.飛艇技術(shù)[M].王生,等,譯.北京:科學(xué)出版社,2008:6-7.

[2] 陳宗基,張汝麟,張平,等.飛行器控制面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].2013,39(6):703-710.

[3] 劉傳超,李翔.飛艇動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].科技展望,2017,27(8):102-103.

[4] 陶增元,李軍俊.飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——推力矢量技術(shù)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,1(2):86-90.

[5] 靳寶林,朱明俊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),1997,23(1):44-49,33.

[6] 彭桂林,陳利.現(xiàn)代常規(guī)飛艇動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)概述[J].航空科學(xué)技術(shù),2008,19(1):6-10.

[7] 陳偉,吳曉燕,唐意東.推力矢量控制技術(shù)在臨近空間飛行器上的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈,2013(5)：64-70.

[8] 鐘杰華,盧琦,李晶.某飛行器電池支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[J].機(jī)械工程師,2017(7)：31-33.

[9] 李楚琳,張勝蘭,馮櫻,等.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2008：68-72.