基于机电伺服系统的珠承喷管推力矢量控制技术研究

引言

珠承喷管是我国航天技术发展中通过自主创新,自主研发的一种固体发动机全轴摆动喷管,其具有摆心漂移小、摆动力矩随温度变化不敏感、适合宽温域工况等优点,在我国航天发射任务中获得了较为广泛的应用。

近年来,中大功率机电伺服技术在航天领域获得了快速的发展,并在基于珠承喷管的固体火箭发动机推力矢量控制中获得了应用,机电伺服系统以其灵活的控制方法和控制策略取得了良好的应用效果。本文综合研究分析了珠承喷管的负载特性,并对采用机电伺服系统完成推力矢量控制的综合特性进行了研究分析。

1珠承喷管特性研究

1.1珠承喷管结构特点

珠承喷管为机械式全轴摆动的固体发动机喷管,依靠珠承接头阴、阳球面之间一排或多排滚珠支撑喷射载荷,采用一道或两道密封圈密封高温高压燃气,以此实现全轴摆动。

如图1所示,珠承喷管包含固定体、活动体和珠承接头三个主要部分。固定体采用金属法兰盘与发动机后封头相连接:活动体以互成909的两个下支耳与伺服机构相连接,在伺服机构的作用下,完成全轴摆动:珠承接头由阴球体、阳球体、排列为单排或多排的滚珠和滚珠保持架组成。阴、阳球体通过刚度与强度设计承受滚珠传递的接触载荷,球面与滚珠依靠较高的光洁度及加工精度减小喷管摆动的摩擦力矩。

1.2珠承喷管负载力矩组成

研究发现,珠承喷管的负载特性以摩擦负载力矩为主,其摆动力矩由摩擦力矩Mt、弹性力矩Msp、偏位力矩Mm、惯性力矩Minc、内气动力矩Mai和外气动力矩Mae组成。其力矩方程描述为:

其中偏位力矩Mm、惯性力矩Minc、内气动力矩Mai和外气动力矩Mae的分析与计算方法与其他全轴摆动的固体发动机喷管相同或相近,而摩擦力矩是珠承喷管的典型负载力矩组成。理论分析与试验研究发现,珠承喷管摩擦力矩的产生主要是由于克服滚珠与阴、阳球面之间,密封圈与球面之间,以及填充腻子与球面之间的摩擦而引起的。通过对珠承喷管运动控制特性的研究,将摩擦力矩Mt分为与喷管摆动速度相关的粘性摩擦力矩Md和与摆动速度无关的非线性摩擦力矩Mf,即:

粘性摩擦力矩Md取决于珠承喷管摆动时,喷管的内、外气流及涂抹在球面间隙内的密封腻子对活动体运动的阻尼作用,该阻尼引起的力矩大小近似取决于角速度大小,描述为:

式中,D为粘性摩擦(阻尼)系数:为喷管摆动角速度。

非线性摩擦力矩Mf特性相对复杂,工程研究发现,非线性摩擦力矩是由密封圈与球面的相对滑动摩擦和滚珠与阴、阳球面的摩擦力矩共同构成的。珠承喷管包含一道或两道密封圈,单道密封圈与球面的相对滑动摩擦力矩描述为:

式中,Mfs为密封圈产生的摩擦力矩:fs为密封圈与球面的摩擦系数:pr为接触应力:B为密封圈宽度:Rb为球面半径:9s为密封圈到球心连线与转轴夹角。

根据工程研究的经验数值,式(4)可以简化为:

由于其采用非金属材料,密封圈摩擦力矩的特性预测性较差,对其特性的影响因素较多、随机性大,这是珠承喷管特性复杂的主要原因之一。

滚珠与球面的摩擦力矩是由滚珠与球面的接触点作用接触载荷Fb,当活动体以角速度Оz绕:轴摆动时,在接触点产生的摩擦力矩。通过工程研究,滚珠与球体的摩擦力矩近似描述为:

式中,Fi为每一个滚珠与球面接触点i产生的摩擦力:fr为接触点的摩擦系数:Fb为接触点作用的接触载荷:Miz为每一个滚珠i与球面产生的摩擦力对:轴作用的摩擦力矩:Mzf为滚珠对:轴的总摩擦力矩:N为滚珠排数:Z为滚珠总数:xi为滚珠i的横坐标点:yi为滚珠i的纵坐标点。

滚珠与球面的摩擦力矩关键取决于摩擦力矩系数fr,由于结构设计的复杂性,fr的确定工程上主要采用试验方法。

珠承喷管的弹性力矩Msp来自其抗扭装置。由于珠承喷管结构本身不具备轴向抗扭转的能力,在设计珠承喷管时,需要设计相应的抗扭装置,其弹性力矩是与喷管的摆动角度成正比的负载力矩,描述为:

式中,k为珠承喷管总的弹性力矩系数;6为喷管摆动角度。

1.3珠承喷管的负载特性分析

珠承喷管在控制上的主要优点为摆动总力矩相对较小,且力矩基本不随摆角大小变化。同时,由于珠承喷管是以典型的非线性摩擦力矩为主,在实际的研究与设计中无法利用线性控制理论进行建模分析,从而实现较高的动态特性指标相对困难,在控制策略上必须做特殊处理[6]。

珠承喷管的负载力矩主要是珠承接头的点接触产生的摩擦力矩,而摩擦力矩受发动机工作的内压强作用到珠承接头接触面的正压力影响很大。在冷态下发动机内压强约为0.15MPa,而热态下内压强可高达8~12MPa,因此冷、热不同工况下负载力矩存在巨大差异。工程研究发现热态的摩擦负载力矩可高达冷态下的10倍左右。珠承喷管由于是滚珠与阴、阳球面点接触,工作时滚珠承受较大挤压载荷,在模拟真实压强的工作条件下,与滚珠接触的阴、阳球面会产生压痕,机械特性会发生变化,进而造成负载特性的变化[5]。因此,珠承喷管为高压工况下一次性产品,负载特性不能多次重现。在实验室条件下模拟真实飞行条件下的负载特性,必须采取特殊措施处理,通常采用液压或气压加载,接触面积由点接触方式改为面接触方式。由于摩擦特性本身的复杂性,冷态模拟的负载特性与真实飞行状态下存在一定差异。

2珠承喷管负载特性下机电伺服控制执行技术研究

在质量(或惯量)、弹性、摩擦三个典型负载环节中,摩擦负载特性是影响因素最复杂、辨识最困难、特性最复杂的环节。工程研究发现,对于组成结构与材料特性均相对复杂的负载对象,通过将摩擦负载特性进行分类分析,可以解决伺服控制中的大部分问题。

将摩擦力矩分类为粘性摩擦力矩与库伦摩擦力矩。粘性摩擦力矩是与喷管摆动角速度有关的摩擦力矩部分,库伦摩擦力矩是与喷管摆动角速度无关而仅与运动方向有关的摩擦力矩部分。理论上,摩擦力矩特性如图2所示。

实际工程中,因不存在理论上的最小摆动速度,所以纯理论上的库伦摩擦力矩的大小无法测定,工程中通常以角频率o1(0.159Hz)、0.59~0.89的幅值进行低速摆动,在该条件下的摩擦力矩工程上认为是辨识出的库伦摩擦力矩,如图3所示。

图3辨识的库伦摩擦力矩回环

通过不同斜率的大角度幅值的三角波信号完成喷管摆动,可以获得不同摆动速度下的摩擦力矩,剔除掉辨识出的库伦摩擦力矩,即为在当前摆动速度下的粘性摩擦力矩,并计算出粘性摩擦系数。针对实际的喷管负载对象研究发现,粘性摩擦系数不为常值,随着速度的增大,粘性摩擦系数呈下降趋势,但粘性摩擦力矩的大小仍随摆动速度的提高而单调增大,如图4所示。

图4辨识的实际库伦摩擦力矩与粘性摩擦力矩特性

由于珠承喷管显著的非线性负载特性,其推力矢量控制的整体特性也必然受非线性环节的影响,表现为较为明显的相角滞后特性。其相角特性在低频段开始即表现为明显的非线性滞后特性。控制系统在设计过程中应充分考虑伺服相角滞后特性对火箭整体姿态稳定性带来的影响。同时,由于珠承喷管固有的非线性特性不能消除,喷管在飞行过程中的摆动必然存在一定限度的极限环,对发动机推力有少许损失(1%以下),在火箭总体设计时应予以考虑。

由于珠承喷管的总负载力矩相对较小,因此伺服系统的总功率输出要求低,有利于伺服系统的整体减重。珠承喷管的输出力矩在稳态条件下主要取决于喷管的摆动角速度,而与摆动角度关系不大,因此在采用机电伺服系统的条件下有利于实现长时间的大摆角飞行。

3结语

在我国航天事业的长期发展中,形成了适合我国工业发展特点、具有自主创新特色的固体发动机珠承喷管技术,其以较低的负载力矩与较高的结构可靠性等优点获得了广泛应用。结合中大功率机电伺服技术的快速发展,通过对珠承喷管负载特性的研究,推力矢量控制整体特性得到了进一步提升,系统更加简单便捷,更加易于维护,尤其是当存在长时间大摆角工况时,基于机电伺服系统的珠承喷管推力矢量控制技术表现出了更加明显的技术优势。