基于機電伺服技術的固體火箭發動機球窩噴管限位技術研究

史晨虹 陳晨 徐志書 楊金鵬 潘龍

摘要：對采用機電伺服技術作為執行機構的固體火箭發動機球窩噴管的控制特性進行了研究，針對球窩噴管的技術特點，分析了球窩噴管的不同限位措施及其對系統整體特性的影響。

關鍵詞：球窩噴管;機電伺服;推力矢量控制;限位

0? ? 引言

球窩噴管作為當前應用廣泛的先進矢量噴管之一（注：其他典型矢量控制技術包括柔性噴管及珠承噴管等），具有重量輕、結構簡單、壽命長、可檢測，環境適應性強（貯存、運輸、沖擊、振動、寬溫度條件使用），軸向位移、擺心偏移小，利于精確控制，可逐臺進行冷態高壓性能檢測，易于實現實物冷態仿真等優點[1]。

由于球窩噴管自身不具備零位附近鎖定限位的能力，因此必須在系統設計中采取相應的措施，以實現噴管在運輸等環節的零位附近鎖定限位，避免發生噴管活動體因受重力影響，擴張段自然下垂造成的結構碰撞。

本文綜合研究了采用機電伺服系統作為推力矢量控制執行機構的球窩噴管的不同零位限位措施的技術特點，分析了采用不同限位措施對系統整體特性的影響。

1? ? 系統組成

固體運載火箭推力矢量控制通常采用單噴管設計方案實現火箭的俯仰、偏航姿態控制，輔以柵格舵、全動舵或其他控制裝置實現火箭的滾轉姿態控制。隨著控制技術的不斷進步，系統產品逐漸向緊湊型、集成化方向發展，基于機電伺服技術的球窩噴管推力矢量控制系統包括一套固體火箭發動機球窩噴管、兩臺機電作動器、一臺伺服控制驅動器、一臺伺服動力電源和一套伺服電纜網。系統連接關系如圖1所示。

2? ? 球窩噴管的技術特點

2.1? ? 球窩噴管的結構組成與力矩特性

球窩噴管是一種機械式全軸擺動的固體發動機噴管，包含固定體、活動體和球窩接頭三個主要部分。固定體采用金屬法蘭盤與發動機后封頭相連接;活動體以互成90°的兩個下支耳與伺服作動器相連接，在伺服作動器的作用下，依靠球窩接頭陰、陽球面之間的滑動摩擦實現全軸擺動。

作為表征噴管性能的重要指標，球窩噴管的擺動力矩由摩擦力矩、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、陽球面的相對運動實現噴管擺動的推力矢量控制方式，陰、陽球面的相對運動產生滑動摩擦，進而產生摩擦力矩。圖2為球窩噴管結構示意圖，由圖2可看出，陰陽球面摩擦力矩主要與界面壓力、接觸面積、摩擦系數有關。

球窩噴管陰、陽球的簡化幾何模型如圖3所示。

在球窩噴管的簡化幾何模型中，由于噴管為軸對稱模型，可將其簡化為二維問題，定義α為陰陽球面接觸內角，β為接觸外角，θ為接觸界面上任意一點與噴管軸線的夾角，R為噴管擺動半徑，L為接觸界面在垂直于噴管軸線方向上的投影寬度。球窩噴管陰、陽球接觸界面的幾何特性可完全通過該模型表征[2]。根據該模型，有：

在接觸界面上取一角度為dθ的微元，其垂直于軸線方向的投影長度為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，其方向為接觸界面的法向方向，Tn和Tn-1分別為左邊和右邊微元對所取微元的作用力，方向與其作用點切線方向平行。

根據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? ? 球窩噴管的負載特性分析

球窩噴管的總負載力矩相對較小，且力矩不會隨擺角的變化而變化，因此球窩噴管可以實現較大的擺動角度，這是球窩噴管的主要優點之一[3]。

由于球窩噴管的主要力矩是擺動元件的面接觸相對運動產生的摩擦力矩，而摩擦力矩主要受接觸面材料的摩擦系數和發動機工作的內壓強產生的正壓力影響，因此球窩噴管在發動機冷、熱兩種狀態下的負載力矩存在較大差異。在試驗室低壓冷態條件下模擬真實飛行條件下的負載特性，需要采取增加材料接觸面摩擦系數的方式進行模擬試驗。而由于摩擦特性本身的復雜性，在冷態下模擬的力矩特性與真實飛行狀態下存在一定的差異，因此在姿態控制系統的穩定性設計中必須考慮包絡差異的影響。

球窩噴管因摩擦力矩來自于陰球與陽球間的接觸面摩擦，因此通過選擇合理的接觸面材料，在一定的工作周期內，其負載特性較為穩定，這也是球窩噴管的優點之一[4]。但是球窩噴管自身防扭設計的彈性力矩梯度很小，無法保證在運輸等環節對噴管實現零位限位，必須采取特定的零位限位措施，以確保在運輸過程中噴管擴張段與尾罩或箭體艙段內壁不因碰撞而發生結構損壞。

3? ? 基于機電伺服技術的不同限位方案及整體性能分析

3.1? ? 具有鎖定功能的機電伺服方案

為了實現球窩噴管的零位附近限位，可以通過伺服機構增加鎖定限位裝置，以此實現對噴管的鎖定，如圖5所示。

通過在機電作動器的伺服電機端增加電磁制動器，可以實現對伺服電機轉子的抱軸鎖定。當噴管處于運輸等環節時，電磁制動器處于鎖定狀態，保持機電傳動機構鎖定在零位，進而保持球窩噴管鎖定在零位。當火箭進入發射流程后，通過伺服控制驅動器發送電磁制動器解鎖信號，電磁制動器摩擦片打開，伺服機構解鎖，噴管按照指令要求擺動。

通過伺服機構增加鎖定裝置實現球窩噴管的鎖定限位，不會增加噴管的設計與制造復雜度，噴管的自身負載特性單一，負載總力矩小，有利于實現較高的控制性能并降低伺服系統的質量，但由此也帶來了伺服系統設計與工藝復雜度的提高。由于電磁制動器對安裝工藝的要求較高，且對力學環境相對敏感，因此設計中需要綜合考慮工藝流程與力學環境適應性，以提高電磁制動器的工作可靠性。

3.2? ? 增加彈性限位裝置的球窩噴管方案

如圖6所示，通過在球窩噴管自身的設計中增加彈性限位裝置，可實現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現噴管運輸等環節限位的方式相類似。由于加入了附加的彈性環節，該方案會增加球窩噴管自身的質量。

增加彈性裝置的設計方式雖然可以減少伺服機構增加鎖定裝置的設計復雜性，但帶來了較大的附加彈性負載力矩，尤其是大型球窩噴管，會使對伺服系統的功率輸出能力要求顯著提升，伺服系統質量增加。同時，由于增加了明顯的彈性負載力矩特性，結合球窩噴管自身的摩擦負載力矩特性，會使得整體負載特性變得更加復雜（圖7）。

增加彈性限位裝置的球窩噴管在冷、熱態條件下均表現為復雜的非線性特性，給伺服控制特性的設計帶來了一定的困難。同時，由于球窩噴管與伺服系統自身的質量都增加，推力矢量控制系統的質量也明顯增加。因此，通常只有小型球窩噴管且對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計方法。

4? ? 結語

球窩噴管因其總負載力矩較低、結構簡單可靠等優點，結合中大功率機電伺服技術的快速發展，其推力矢量控制正逐漸獲得更多的應用。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現運輸等環節對噴管自身的限位。

采用球窩噴管自身增加彈性限位的方法，簡化了伺服系統的設計復雜度，但噴管自身設計復雜度增加，負載力矩顯著增加，對伺服系統功率要求增加，且負載特性進一步復雜化，因此不利于推力矢量控制的整體優化設計。而采用機電伺服系統增加對噴管鎖定限位裝置的方案，優化噴管設計，降低了伺服功率需求，減小了推力矢量控制系統的整體質量，雖然給伺服系統的設計增加了一定的復雜度，但當前已能夠較好地解決相關技術問題，是未來球窩噴管負載條件下使用機電伺服方案的發展趨勢。

[參考文獻]

[1] 陳汝訓，劉銘初，李志明.固體火箭發動機設計與研究[M].北京：中國宇航出版社，1992.

[2] 哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].6版.北京：高等教育出版社，2002.

[3] 尤軍鋒，張永敬，常新龍.球窩噴管接觸應力及擺動力矩計算[J].固體火箭技術，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]//中國宇航學會固體火箭推進第三十屆學術年會論文集，2013：82.

收稿日期：2019-12-04

作者簡介：史晨虹（1983—），男，內蒙古赤峰人，碩士研究生，高級工程師，型號技術負責人，研究方向：中大功率機電伺服系統。