基于機(jī)電伺服技術(shù)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)球窩噴管限位技術(shù)研究

史晨虹 陳晨 徐志書(shū) 楊金鵬 潘龍

摘要：對(duì)采用機(jī)電伺服技術(shù)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)球窩噴管的控制特性進(jìn)行了研究，針對(duì)球窩噴管的技術(shù)特點(diǎn)，分析了球窩噴管的不同限位措施及其對(duì)系統(tǒng)整體特性的影響。

關(guān)鍵詞：球窩噴管;機(jī)電伺服;推力矢量控制;限位

0? ? 引言

球窩噴管作為當(dāng)前應(yīng)用廣泛的先進(jìn)矢量噴管之一（注：其他典型矢量控制技術(shù)包括柔性噴管及珠承噴管等），具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可檢測(cè)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（貯存、運(yùn)輸、沖擊、振動(dòng)、寬溫度條件使用），軸向位移、擺心偏移小，利于精確控制，可逐臺(tái)進(jìn)行冷態(tài)高壓性能檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)物冷態(tài)仿真等優(yōu)點(diǎn)[1]。

由于球窩噴管自身不具備零位附近鎖定限位的能力，因此必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施，以實(shí)現(xiàn)噴管在運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的零位附近鎖定限位，避免發(fā)生噴管活動(dòng)體因受重力影響，擴(kuò)張段自然下垂造成的結(jié)構(gòu)碰撞。

本文綜合研究了采用機(jī)電伺服系統(tǒng)作為推力矢量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的球窩噴管的不同零位限位措施的技術(shù)特點(diǎn)，分析了采用不同限位措施對(duì)系統(tǒng)整體特性的影響。

1? ? 系統(tǒng)組成

固體運(yùn)載火箭推力矢量控制通常采用單噴管設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)火箭的俯仰、偏航姿態(tài)控制，輔以柵格舵、全動(dòng)舵或其他控制裝置實(shí)現(xiàn)火箭的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制。隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)產(chǎn)品逐漸向緊湊型、集成化方向發(fā)展，基于機(jī)電伺服技術(shù)的球窩噴管推力矢量控制系統(tǒng)包括一套固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)球窩噴管、兩臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器、一臺(tái)伺服控制驅(qū)動(dòng)器、一臺(tái)伺服動(dòng)力電源和一套伺服電纜網(wǎng)。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。

2? ? 球窩噴管的技術(shù)特點(diǎn)

2.1? ? 球窩噴管的結(jié)構(gòu)組成與力矩特性

球窩噴管是一種機(jī)械式全軸擺動(dòng)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，包含固定體、活動(dòng)體和球窩接頭三個(gè)主要部分。固定體采用金屬法蘭盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭相連接;活動(dòng)體以互成90°的兩個(gè)下支耳與伺服作動(dòng)器相連接，在伺服作動(dòng)器的作用下，依靠球窩接頭陰、陽(yáng)球面之間的滑動(dòng)摩擦實(shí)現(xiàn)全軸擺動(dòng)。

作為表征噴管性能的重要指標(biāo)，球窩噴管的擺動(dòng)力矩由摩擦力矩、偏位力矩、慣性力矩等組成，并且以摩擦力矩為主要組成部分。

球窩噴管是依靠陰、陽(yáng)球面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴管擺動(dòng)的推力矢量控制方式，陰、陽(yáng)球面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力矩。圖2為球窩噴管結(jié)構(gòu)示意圖，由圖2可看出，陰陽(yáng)球面摩擦力矩主要與界面壓力、接觸面積、摩擦系數(shù)有關(guān)。

球窩噴管陰、陽(yáng)球的簡(jiǎn)化幾何模型如圖3所示。

在球窩噴管的簡(jiǎn)化幾何模型中，由于噴管為軸對(duì)稱(chēng)模型，可將其簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，定義α為陰陽(yáng)球面接觸內(nèi)角，β為接觸外角，θ為接觸界面上任意一點(diǎn)與噴管軸線(xiàn)的夾角，R為噴管擺動(dòng)半徑，L為接觸界面在垂直于噴管軸線(xiàn)方向上的投影寬度。球窩噴管陰、陽(yáng)球接觸界面的幾何特性可完全通過(guò)該模型表征[2]。根據(jù)該模型，有：

在接觸界面上取一角度為dθ的微元，其垂直于軸線(xiàn)方向的投影長(zhǎng)度為dL，如圖3所示。該微元在噴管軸向載荷的作用下，其受力分析如圖4所示。

圖4中，dF為微元受到的軸向載荷，dFs為摩擦力，其方向與接觸界面相切，dN為支反力，其方向?yàn)榻佑|界面的法向方向，Tn和Tn-1分別為左邊和右邊微元對(duì)所取微元的作用力，方向與其作用點(diǎn)切線(xiàn)方向平行。

根據(jù)接觸界面的幾何模型及接觸界面上任一微元的受力模型，可得微元受到的軸向載荷為：

2.2? ? 球窩噴管的負(fù)載特性分析

球窩噴管的總負(fù)載力矩相對(duì)較小，且力矩不會(huì)隨擺角的變化而變化，因此球窩噴管可以實(shí)現(xiàn)較大的擺動(dòng)角度，這是球窩噴管的主要優(yōu)點(diǎn)之一[3]。

由于球窩噴管的主要力矩是擺動(dòng)元件的面接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力矩，而摩擦力矩主要受接觸面材料的摩擦系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作的內(nèi)壓強(qiáng)產(chǎn)生的正壓力影響，因此球窩噴管在發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱兩種狀態(tài)下的負(fù)載力矩存在較大差異。在試驗(yàn)室低壓冷態(tài)條件下模擬真實(shí)飛行條件下的負(fù)載特性，需要采取增加材料接觸面摩擦系數(shù)的方式進(jìn)行模擬試驗(yàn)。而由于摩擦特性本身的復(fù)雜性，在冷態(tài)下模擬的力矩特性與真實(shí)飛行狀態(tài)下存在一定的差異，因此在姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中必須考慮包絡(luò)差異的影響。

球窩噴管因摩擦力矩來(lái)自于陰球與陽(yáng)球間的接觸面摩擦，因此通過(guò)選擇合理的接觸面材料，在一定的工作周期內(nèi)，其負(fù)載特性較為穩(wěn)定，這也是球窩噴管的優(yōu)點(diǎn)之一[4]。但是球窩噴管自身防扭設(shè)計(jì)的彈性力矩梯度很小，無(wú)法保證在運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)對(duì)噴管實(shí)現(xiàn)零位限位，必須采取特定的零位限位措施，以確保在運(yùn)輸過(guò)程中噴管擴(kuò)張段與尾罩或箭體艙段內(nèi)壁不因碰撞而發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。

3? ? 基于機(jī)電伺服技術(shù)的不同限位方案及整體性能分析

3.1? ? 具有鎖定功能的機(jī)電伺服方案

為了實(shí)現(xiàn)球窩噴管的零位附近限位，可以通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)增加鎖定限位裝置，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管的鎖定，如圖5所示。

通過(guò)在機(jī)電作動(dòng)器的伺服電機(jī)端增加電磁制動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的抱軸鎖定。當(dāng)噴管處于運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)時(shí)，電磁制動(dòng)器處于鎖定狀態(tài)，保持機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖定在零位，進(jìn)而保持球窩噴管鎖定在零位。當(dāng)火箭進(jìn)入發(fā)射流程后，通過(guò)伺服控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電磁制動(dòng)器解鎖信號(hào)，電磁制動(dòng)器摩擦片打開(kāi)，伺服機(jī)構(gòu)解鎖，噴管按照指令要求擺動(dòng)。

通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)增加鎖定裝置實(shí)現(xiàn)球窩噴管的鎖定限位，不會(huì)增加噴管的設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜度，噴管的自身負(fù)載特性單一，負(fù)載總力矩小，有利于實(shí)現(xiàn)較高的控制性能并降低伺服系統(tǒng)的質(zhì)量，但由此也帶來(lái)了伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工藝復(fù)雜度的提高。由于電磁制動(dòng)器對(duì)安裝工藝的要求較高，且對(duì)力學(xué)環(huán)境相對(duì)敏感，因此設(shè)計(jì)中需要綜合考慮工藝流程與力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，以提高電磁制動(dòng)器的工作可靠性。

3.2? ? 增加彈性限位裝置的球窩噴管方案

如圖6所示，通過(guò)在球窩噴管自身的設(shè)計(jì)中增加彈性限位裝置，可實(shí)現(xiàn)球窩噴管在零位附近限位，這與柔性噴管利用自身的彈性力矩梯度實(shí)現(xiàn)噴管運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)限位的方式相類(lèi)似。由于加入了附加的彈性環(huán)節(jié)，該方案會(huì)增加球窩噴管自身的質(zhì)量。

增加彈性裝置的設(shè)計(jì)方式雖然可以減少伺服機(jī)構(gòu)增加鎖定裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但帶來(lái)了較大的附加彈性負(fù)載力矩，尤其是大型球窩噴管，會(huì)使對(duì)伺服系統(tǒng)的功率輸出能力要求顯著提升，伺服系統(tǒng)質(zhì)量增加。同時(shí)，由于增加了明顯的彈性負(fù)載力矩特性，結(jié)合球窩噴管自身的摩擦負(fù)載力矩特性，會(huì)使得整體負(fù)載特性變得更加復(fù)雜（圖7）。

增加彈性限位裝置的球窩噴管在冷、熱態(tài)條件下均表現(xiàn)為復(fù)雜的非線(xiàn)性特性，給伺服控制特性的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。同時(shí)，由于球窩噴管與伺服系統(tǒng)自身的質(zhì)量都增加，推力矢量控制系統(tǒng)的質(zhì)量也明顯增加。因此，通常只有小型球窩噴管且對(duì)伺服特性整體要求不高的情況下，才采用增加噴管彈性限位裝置的設(shè)計(jì)方法。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

球窩噴管因其總負(fù)載力矩較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合中大功率機(jī)電伺服技術(shù)的快速發(fā)展，其推力矢量控制正逐漸獲得更多的應(yīng)用。由于球窩噴管自身不具有零位限位的能力，因此需要采用額外的措施實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)對(duì)噴管自身的限位。

采用球窩噴管自身增加彈性限位的方法，簡(jiǎn)化了伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，但噴管自身設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加，負(fù)載力矩顯著增加，對(duì)伺服系統(tǒng)功率要求增加，且負(fù)載特性進(jìn)一步復(fù)雜化，因此不利于推力矢量控制的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。而采用機(jī)電伺服系統(tǒng)增加對(duì)噴管鎖定限位裝置的方案，優(yōu)化噴管設(shè)計(jì)，降低了伺服功率需求，減小了推力矢量控制系統(tǒng)的整體質(zhì)量，雖然給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了一定的復(fù)雜度，但當(dāng)前已能夠較好地解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，是未來(lái)球窩噴管負(fù)載條件下使用機(jī)電伺服方案的發(fā)展趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳汝訓(xùn)，劉銘初，李志明.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1992.

[2] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].6版.北京：高等教育出版社，2002.

[3] 尤軍鋒，張永敬，常新龍.球窩噴管接觸應(yīng)力及擺動(dòng)力矩計(jì)算[J].固體火箭技術(shù)，2001，24（4）：20-23.

[4] 陳晨，白效慧，姜耿敏.球窩噴管摩擦力矩的解決分析方法[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)固體火箭推進(jìn)第三十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013：82.

收稿日期：2019-12-04

作者簡(jiǎn)介：史晨虹（1983—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，高級(jí)工程師，型號(hào)技術(shù)負(fù)責(zé)人，研究方向：中大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)。