引言

珠承噴管是我國航天技術發(fā)展中通過自主創(chuàng)新,自主研發(fā)的一種固體發(fā)動機全軸擺動噴管,其具有擺心漂移小、擺動力矩隨溫度變化不敏感、適合寬溫域工況等優(yōu)點,在我國航天發(fā)射任務中獲得了較為廣泛的應用。

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

1珠承噴管特性研究

1.1珠承噴管結構特點

珠承噴管為機械式全軸擺動的固體發(fā)動機噴管,依靠珠承接頭陰、陽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氣,以此實現(xiàn)全軸擺動。

如圖1所示,珠承噴管包含固定體、活動體和珠承接頭三個主要部分。固定體采用金屬法蘭盤與發(fā)動機后封頭相連接:活動體以互成909的兩個下支耳與伺服機構相連接,在伺服機構的作用下,完成全軸擺動:珠承接頭由陰球體、陽球體、排列為單排或多排的滾珠和滾珠保持架組成。陰、陽球體通過剛度與強度設計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的摩擦力矩。

1.2珠承噴管負載力矩組成

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

其中偏位力矩Mm、慣性力矩Minc、內氣動力矩Mai和外氣動力矩Mae的分析與計算方法與其他全軸擺動的固體發(fā)動機噴管相同或相近,而摩擦力矩是珠承噴管的典型負載力矩組成。理論分析與試驗研究發(fā)現(xiàn),珠承噴管摩擦力矩的產生主要是由于克服滾珠與陰、陽球面之間,密封圈與球面之間,以及填充膩子與球面之間的摩擦而引起的。通過對珠承噴管運動控制特性的研究,將摩擦力矩Mt分為與噴管擺動速度相關的粘性摩擦力矩Md和與擺動速度無關的非線性摩擦力矩Mf,即:

粘性摩擦力矩Md取決于珠承噴管擺動時,噴管的內、外氣流及涂抹在球面間隙內的密封膩子對活動體運動的阻尼作用,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:為噴管擺動角速度。

非線性摩擦力矩Mf特性相對復雜,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滑動摩擦和滾珠與陰、陽球面的摩擦力矩共同構成的。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滑動摩擦力矩描述為:

式中,Mfs為密封圈產生的摩擦力矩:fs為密封圈與球面的摩擦系數:pr為接觸應力: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軸夾角。

根據工程研究的經驗數值,式(4)可以簡化為:

由于其采用非金屬材料,密封圈摩擦力矩的特性預測性較差,對其特性的影響因素較多、隨機性大,這是珠承噴管特性復雜的主要原因之一。

滾珠與球面的摩擦力矩是由滾珠與球面的接觸點作用接觸載荷Fb,當活動體以角速度Оz繞:軸擺動時,在接觸點產生的摩擦力矩。通過工程研究,滾珠與球體的摩擦力矩近似描述為:

式中,Fi為每一個滾珠與球面接觸點i產生的摩擦力:fr為接觸點的摩擦系數:Fb為接觸點作用的接觸載荷:Miz為每一個滾珠i與球面產生的摩擦力對:軸作用的摩擦力矩:Mzf為滾珠對:軸的總摩擦力矩:N為滾珠排數:Z為滾珠總數:xi為滾珠i的橫坐標點:yi為滾珠i的縱坐標點。

滾珠與球面的摩擦力矩關鍵取決于摩擦力矩系數fr,由于結構設計的復雜性,fr的確定工程上主要采用試驗方法。

珠承噴管的彈性力矩Msp來自其抗扭裝置。由于珠承噴管結構本身不具備軸向抗扭轉的能力,在設計珠承噴管時,需要設計相應的抗扭裝置,其彈性力矩是與噴管的擺動角度成正比的負載力矩,描述為:

式中,k為珠承噴管總的彈性力矩系數;6為噴管擺動角度。

1.3珠承噴管的負載特性分析

珠承噴管在控制上的主要優(yōu)點為擺動總力矩相對較小,且力矩基本不隨擺角大小變化。同時,由于珠承噴管是以典型的非線性摩擦力矩為主,在實際的研究與設計中無法利用線性控制理論進行建模分析,從而實現(xiàn)較高的動態(tài)特性指標相對困難,在控制策略上必須做特殊處理[6]。

珠承噴管的負載力矩主要是珠承接頭的點接觸產生的摩擦力矩,而摩擦力矩受發(fā)動機工作的內壓強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)動機內壓強約為0.15MPa,而熱態(tài)下內壓強可高達8~12MPa,因此冷、熱不同工況下負載力矩存在巨大差異。工程研究發(fā)現(xiàn)熱態(tài)的摩擦負載力矩可高達冷態(tài)下的10倍左右。珠承噴管由于是滾珠與陰、陽球面點接觸,工作時滾珠承受較大擠壓載荷,在模擬真實壓強的工作條件下,與滾珠接觸的陰、陽球面會產生壓痕,機械特性會發(fā)生變化,進而造成負載特性的變化[5]。因此,珠承噴管為高壓工況下一次性產品,負載特性不能多次重現(xiàn)。在實驗室條件下模擬真實飛行條件下的負載特性,必須采取特殊措施處理,通常采用液壓或氣壓加載,接觸面積由點接觸方式改為面接觸方式。由于摩擦特性本身的復雜性,冷態(tài)模擬的負載特性與真實飛行狀態(tài)下存在一定差異。

2珠承噴管負載特性下機電伺服控制執(zhí)行技術研究

在質量(或慣量)、彈性、摩擦三個典型負載環(huán)節(jié)中,摩擦負載特性是影響因素最復雜、辨識最困難、特性最復雜的環(huán)節(jié)。工程研究發(fā)現(xiàn),對于組成結構與材料特性均相對復雜的負載對象,通過將摩擦負載特性進行分類分析,可以解決伺服控制中的大部分問題。

將摩擦力矩分類為粘性摩擦力矩與庫倫摩擦力矩。粘性摩擦力矩是與噴管擺動角速度有關的摩擦力矩部分,庫倫摩擦力矩是與噴管擺動角速度無關而僅與運動方向有關的摩擦力矩部分。理論上,摩擦力矩特性如圖2所示。

實際工程中,因不存在理論上的最小擺動速度,所以純理論上的庫倫摩擦力矩的大小無法測定,工程中通常以角頻率o1(0.159Hz)、0.59~0.89的幅值進行低速擺動,在該條件下的摩擦力矩工程上認為是辨識出的庫倫摩擦力矩,如圖3所示。

圖3辨識的庫倫摩擦力矩回環(huán)

通過不同斜率的大角度幅值的三角波信號完成噴管擺動,可以獲得不同擺動速度下的摩擦力矩,剔除掉辨識出的庫倫摩擦力矩,即為在當前擺動速度下的粘性摩擦力矩,并計算出粘性摩擦系數。針對實際的噴管負載對象研究發(fā)現(xiàn),粘性摩擦系數不為常值,隨著速度的增大,粘性摩擦系數呈下降趨勢,但粘性摩擦力矩的大小仍隨擺動速度的提高而單調增大,如圖4所示。

圖4辨識的實際庫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)在設計過程中應充分考慮伺服相角滯后特性對火箭整體姿態(tài)穩(wěn)定性帶來的影響。同時,由于珠承噴管固有的非線性特性不能消除,噴管在飛行過程中的擺動必然存在一定限度的極限環(huán),對發(fā)動機推力有少許損失(1%以下),在火箭總體設計時應予以考慮。

由于珠承噴管的總負載力矩相對較小,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角速度,而與擺動角度關系不大,因此在采用機電伺服系統(tǒng)的條件下有利于實現(xiàn)長時間的大擺角飛行。

3結語

在我國航天事業(yè)的長期發(fā)展中,形成了適合我國工業(yè)發(fā)展特點、具有自主創(chuàng)新特色的固體發(fā)動機珠承噴管技術,其以較低的負載力矩與較高的結構可靠性等優(yōu)點獲得了廣泛應用。結合中大功率機電伺服技術的快速發(fā)展,通過對珠承噴管負載特性的研究,推力矢量控制整體特性得到了進一步提升,系統(tǒng)更加簡單便捷,更加易于維護,尤其是當存在長時間大擺角工況時,基于機電伺服系統(tǒng)的珠承噴管推力矢量控制技術表現(xiàn)出了更加明顯的技術優(yōu)勢。