引言

珠承噴管是我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展中通過(guò)自主創(chuàng)新,自主研發(fā)的一種固體發(fā)動(dòng)機(jī)全軸擺動(dòng)噴管,其具有擺心漂移小、擺動(dòng)力矩隨溫度變化不敏感、適合寬溫域工況等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái),中大功率機(jī)電伺服技術(shù)在航天領(lǐng)域獲得了快速的發(fā)展,并在基于珠承噴管的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制中獲得了應(yīng)用,機(jī)電伺服系統(tǒng)以其靈活的控制方法和控制策略取得了良好的應(yīng)用效果。本文綜合研究分析了珠承噴管的負(fù)載特性,并對(duì)采用機(jī)電伺服系統(tǒng)完成推力矢量控制的綜合特性進(jìn)行了研究分析。

1珠承噴管特性研究

1.1珠承噴管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

珠承噴管為機(jī)械式全軸擺動(dòng)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,依靠珠承接頭陰、陽(yáng)球面之間一排或多排滾珠支撐噴射載荷,采用一道或兩道密封圈密封高溫高壓燃?xì)?以此實(shí)現(xiàn)全軸擺動(dòng)。

如圖1所示,珠承噴管包含固定體、活動(dòng)體和珠承接頭三個(gè)主要部分。固定體采用金屬法蘭盤與發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭相連接:活動(dòng)體以互成909的兩個(gè)下支耳與伺服機(jī)構(gòu)相連接,在伺服機(jī)構(gòu)的作用下,完成全軸擺動(dòng):珠承接頭由陰球體、陽(yáng)球體、排列為單排或多排的滾珠和滾珠保持架組成。陰、陽(yáng)球體通過(guò)剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)承受滾珠傳遞的接觸載荷,球面與滾珠依靠較高的光潔度及加工精度減小噴管擺動(dòng)的摩擦力矩。

1.2珠承噴管負(fù)載力矩組成

研究發(fā)現(xiàn),珠承噴管的負(fù)載特性以摩擦負(fù)載力矩為主,其擺動(dòng)力矩由摩擦力矩Mt、彈性力矩Msp、偏位力矩Mm、慣性力矩Minc、內(nèi)氣動(dòng)力矩Mai和外氣動(dòng)力矩Mae組成。其力矩方程描述為:

其中偏位力矩Mm、慣性力矩Minc、內(nèi)氣動(dòng)力矩Mai和外氣動(dòng)力矩Mae的分析與計(jì)算方法與其他全軸擺動(dòng)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管相同或相近,而摩擦力矩是珠承噴管的典型負(fù)載力矩組成。理論分析與試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),珠承噴管摩擦力矩的產(chǎn)生主要是由于克服滾珠與陰、陽(yáng)球面之間,密封圈與球面之間,以及填充膩?zhàn)优c球面之間的摩擦而引起的。通過(guò)對(duì)珠承噴管運(yùn)動(dòng)控制特性的研究,將摩擦力矩Mt分為與噴管擺動(dòng)速度相關(guān)的粘性摩擦力矩Md和與擺動(dòng)速度無(wú)關(guān)的非線性摩擦力矩Mf,即:

粘性摩擦力矩Md取決于珠承噴管擺動(dòng)時(shí),噴管的內(nèi)、外氣流及涂抹在球面間隙內(nèi)的密封膩?zhàn)訉?duì)活動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的阻尼作用,該阻尼引起的力矩大小近似取決于角速度大小,描述為:

式中,D為粘性摩擦(阻尼)系數(shù):為噴管擺動(dòng)角速度。

非線性摩擦力矩Mf特性相對(duì)復(fù)雜,工程研究發(fā)現(xiàn),非線性摩擦力矩是由密封圈與球面的相對(duì)滑動(dòng)摩擦和滾珠與陰、陽(yáng)球面的摩擦力矩共同構(gòu)成的。珠承噴管包含一道或兩道密封圈,單道密封圈與球面的相對(duì)滑動(dòng)摩擦力矩描述為:

式中,Mfs為密封圈產(chǎn)生的摩擦力矩:fs為密封圈與球面的摩擦系數(shù):pr為接觸應(yīng)力:B為密封圈寬度:Rb為球面半徑:9s為密封圈到球心連線與轉(zhuǎn)軸夾角。

根據(jù)工程研究的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,式(4)可以簡(jiǎn)化為:

由于其采用非金屬材料,密封圈摩擦力矩的特性預(yù)測(cè)性較差,對(duì)其特性的影響因素較多、隨機(jī)性大,這是珠承噴管特性復(fù)雜的主要原因之一。

滾珠與球面的摩擦力矩是由滾珠與球面的接觸點(diǎn)作用接觸載荷Fb,當(dāng)活動(dòng)體以角速度Оz繞:軸擺動(dòng)時(shí),在接觸點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦力矩。通過(guò)工程研究,滾珠與球體的摩擦力矩近似描述為:

式中,Fi為每一個(gè)滾珠與球面接觸點(diǎn)i產(chǎn)生的摩擦力:fr為接觸點(diǎn)的摩擦系數(shù):Fb為接觸點(diǎn)作用的接觸載荷:Miz為每一個(gè)滾珠i與球面產(chǎn)生的摩擦力對(duì):軸作用的摩擦力矩:Mzf為滾珠對(duì):軸的總摩擦力矩:N為滾珠排數(shù):Z為滾珠總數(shù):xi為滾珠i的橫坐標(biāo)點(diǎn):yi為滾珠i的縱坐標(biāo)點(diǎn)。

滾珠與球面的摩擦力矩關(guān)鍵取決于摩擦力矩系數(shù)fr,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,fr的確定工程上主要采用試驗(yàn)方法。

珠承噴管的彈性力矩Msp來(lái)自其抗扭裝置。由于珠承噴管結(jié)構(gòu)本身不具備軸向抗扭轉(zhuǎn)的能力,在設(shè)計(jì)珠承噴管時(shí),需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗扭裝置,其彈性力矩是與噴管的擺動(dòng)角度成正比的負(fù)載力矩,描述為:

式中,k為珠承噴管總的彈性力矩系數(shù);6為噴管擺動(dòng)角度。

1.3珠承噴管的負(fù)載特性分析

珠承噴管在控制上的主要優(yōu)點(diǎn)為擺動(dòng)總力矩相對(duì)較小,且力矩基本不隨擺角大小變化。同時(shí),由于珠承噴管是以典型的非線性摩擦力矩為主,在實(shí)際的研究與設(shè)計(jì)中無(wú)法利用線性控制理論進(jìn)行建模分析,從而實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)相對(duì)困難,在控制策略上必須做特殊處理[6]。

珠承噴管的負(fù)載力矩主要是珠承接頭的點(diǎn)接觸產(chǎn)生的摩擦力矩,而摩擦力矩受發(fā)動(dòng)機(jī)工作的內(nèi)壓強(qiáng)作用到珠承接頭接觸面的正壓力影響很大。在冷態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)約為0.15MPa,而熱態(tài)下內(nèi)壓強(qiáng)可高達(dá)8~12MPa,因此冷、熱不同工況下負(fù)載力矩存在巨大差異。工程研究發(fā)現(xiàn)熱態(tài)的摩擦負(fù)載力矩可高達(dá)冷態(tài)下的10倍左右。珠承噴管由于是滾珠與陰、陽(yáng)球面點(diǎn)接觸,工作時(shí)滾珠承受較大擠壓載荷,在模擬真實(shí)壓強(qiáng)的工作條件下,與滾珠接觸的陰、陽(yáng)球面會(huì)產(chǎn)生壓痕,機(jī)械特性會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而造成負(fù)載特性的變化[5]。因此,珠承噴管為高壓工況下一次性產(chǎn)品,負(fù)載特性不能多次重現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬真實(shí)飛行條件下的負(fù)載特性,必須采取特殊措施處理,通常采用液壓或氣壓加載,接觸面積由點(diǎn)接觸方式改為面接觸方式。由于摩擦特性本身的復(fù)雜性,冷態(tài)模擬的負(fù)載特性與真實(shí)飛行狀態(tài)下存在一定差異。

2珠承噴管負(fù)載特性下機(jī)電伺服控制執(zhí)行技術(shù)研究

在質(zhì)量(或慣量)、彈性、摩擦三個(gè)典型負(fù)載環(huán)節(jié)中,摩擦負(fù)載特性是影響因素最復(fù)雜、辨識(shí)最困難、特性最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。工程研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于組成結(jié)構(gòu)與材料特性均相對(duì)復(fù)雜的負(fù)載對(duì)象,通過(guò)將摩擦負(fù)載特性進(jìn)行分類分析,可以解決伺服控制中的大部分問(wèn)題。

將摩擦力矩分類為粘性摩擦力矩與庫(kù)倫摩擦力矩。粘性摩擦力矩是與噴管擺動(dòng)角速度有關(guān)的摩擦力矩部分,庫(kù)倫摩擦力矩是與噴管擺動(dòng)角速度無(wú)關(guān)而僅與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)的摩擦力矩部分。理論上,摩擦力矩特性如圖2所示。

實(shí)際工程中,因不存在理論上的最小擺動(dòng)速度,所以純理論上的庫(kù)倫摩擦力矩的大小無(wú)法測(cè)定,工程中通常以角頻率o1(0.159Hz)、0.59~0.89的幅值進(jìn)行低速擺動(dòng),在該條件下的摩擦力矩工程上認(rèn)為是辨識(shí)出的庫(kù)倫摩擦力矩,如圖3所示。

圖3辨識(shí)的庫(kù)倫摩擦力矩回環(huán)

通過(guò)不同斜率的大角度幅值的三角波信號(hào)完成噴管擺動(dòng),可以獲得不同擺動(dòng)速度下的摩擦力矩,剔除掉辨識(shí)出的庫(kù)倫摩擦力矩,即為在當(dāng)前擺動(dòng)速度下的粘性摩擦力矩,并計(jì)算出粘性摩擦系數(shù)。針對(duì)實(shí)際的噴管負(fù)載對(duì)象研究發(fā)現(xiàn),粘性摩擦系數(shù)不為常值,隨著速度的增大,粘性摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì),但粘性摩擦力矩的大小仍隨擺動(dòng)速度的提高而單調(diào)增大,如圖4所示。

圖4辨識(shí)的實(shí)際庫(kù)倫摩擦力矩與粘性摩擦力矩特性

由于珠承噴管顯著的非線性負(fù)載特性,其推力矢量控制的整體特性也必然受非線性環(huán)節(jié)的影響,表現(xiàn)為較為明顯的相角滯后特性。其相角特性在低頻段開始即表現(xiàn)為明顯的非線性滯后特性。控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮伺服相角滯后特性對(duì)火箭整體姿態(tài)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。同時(shí),由于珠承噴管固有的非線性特性不能消除,噴管在飛行過(guò)程中的擺動(dòng)必然存在一定限度的極限環(huán),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力有少許損失(1%以下),在火箭總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

由于珠承噴管的總負(fù)載力矩相對(duì)較小,因此伺服系統(tǒng)的總功率輸出要求低,有利于伺服系統(tǒng)的整體減重。珠承噴管的輸出力矩在穩(wěn)態(tài)條件下主要取決于噴管的擺動(dòng)角速度,而與擺動(dòng)角度關(guān)系不大,因此在采用機(jī)電伺服系統(tǒng)的條件下有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的大擺角飛行。

3結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)航天事業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展中,形成了適合我國(guó)工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)、具有自主創(chuàng)新特色的固體發(fā)動(dòng)機(jī)珠承噴管技術(shù),其以較低的負(fù)載力矩與較高的結(jié)構(gòu)可靠性等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。結(jié)合中大功率機(jī)電伺服技術(shù)的快速發(fā)展,通過(guò)對(duì)珠承噴管負(fù)載特性的研究,推力矢量控制整體特性得到了進(jìn)一步提升,系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單便捷,更加易于維護(hù),尤其是當(dāng)存在長(zhǎng)時(shí)間大擺角工況時(shí),基于機(jī)電伺服系統(tǒng)的珠承噴管推力矢量控制技術(shù)表現(xiàn)出了更加明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。