基于機電伺服系統(tǒng)的珠承噴管推力矢量控制技術(shù)研究

引言

珠承噴管是我國航天技術(shù)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(wù)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

近年來,中大功率機電伺服技術(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)動機推力矢量控制中獲得了應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)相連接,在伺服機構(gòu)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(guān)的粘性摩擦力矩Md和與擺動速度無關(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時,噴管的內(nèi)、外氣流及涂抹在球面間隙內(nèi)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(shù):為噴管擺動角速度。

非線性摩擦力矩Mf特性相對復(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滑動摩擦和滾珠與陰、陽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滑動摩擦力矩描述為:

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)驗數(shù)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(yù)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(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(chǎn)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(chǎn)生的摩擦力:fr為接觸點的摩擦系數(shù):Fb為接觸點作用的接觸載荷:Miz為每一個滾珠i與球面產(chǎn)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(shù):Z為滾珠總數(shù):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(guān)鍵取決于摩擦力矩系數(shù)fr,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)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(jié)構(gòu)本身不具備軸向抗扭轉(zhuǎn)的能力,在設(shè)計珠承噴管時,需要設(shè)計相應(yīng)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(shù);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(shè)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(chǎn)生的摩擦力矩,而摩擦力矩受發(fā)動機工作的內(nèi)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(nèi)壓強約為0.15MPa,而熱態(tài)下內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(shù)研究

在質(zhì)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(fù)雜、辨識最困難、特性最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。工程研究發(fā)現(xiàn),對于組成結(jié)構(gòu)與材料特性均相對復(fù)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(guān)的摩擦力矩部分,庫倫摩擦力矩是與噴管擺動角速度無關(guān)而僅與運動方向有關(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(shù)。針對實際的噴管負載對象研究發(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,但粘性摩擦力矩的大小仍隨擺動速度的提高而單調(diào)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?？刂葡到y(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)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(shè)計時應(yīng)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(guān)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(jié)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(shù),其以較低的負載力矩與較高的結(jié)構(gòu)可靠性等優(yōu)點獲得了廣泛應(yīng)用。結(jié)合中大功率機電伺服技術(shù)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(shù)表現(xiàn)出了更加明顯的技術(shù)優(yōu)勢。