CN105370441B - 采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运载火箭用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，属于运载火箭控制技术领域。伺服系统控制回路采取了系统级三冗余设计方案，三余度伺服阀有三个独立的前置级，三余度位移传感器有三个独立的冗余通道。伺服控制器接收1553B总线上的三冗余数字控制指令，同时伺服控制器每1台子控制器采集1台伺服机构的三冗余位移传感器的3路线位移，由控制器中央处理单元执行线位移多数表决算法和数据闭环控制算法处理，经D/A转换及功率放大后输出伺服阀控制电流，输出到1台伺服机构三冗余伺服阀的1个前置级，在伺服阀的功率级滑阀上实现多数表决，可化解吸收冗余通道的一度故障。

Description

采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统

技术领域

本发明涉及一种伺服系统，具体说涉及一种运载火箭用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，属于运载火箭控制技术领域。

背景技术

伺服系统是我国对运载火箭飞行控制执行机构子系统的统称，典型应用是摇摆发动机实施推力矢量控制。液氢液氧发动机以液氢和液氧为燃料，具备无毒、无污染、高性价比和使用维护方便等优点，是目前世界上的一种主流运载火箭发动机。相应地，配套液氢液氧发动机的伺服系统也是必备箭上设备。

国内外大推力火箭发动机推力矢量控制电液伺服机构通常采用由发动机传动轴获取机械能，带动伺服液压泵工作，提供伺服系统工作所需的高压能源，见附图14。大推力液氢液氧双摆发动机由于其结构复杂，无法采用传统的机械供能方式。

国外大推力液氢液氧发动机推力矢量控制用伺服机构采用的典型伺服能源方案有：美国新研阿瑞斯Ⅰ/Ⅴ上面级采用新研J-2X氢氧发动机，采用从发动机引流高压氢气驱动涡轮，经齿轮箱减速后传动液压泵产生液压能源，见附图15。涡轮泵、液压泵等元件分布放置，通过管路连接。日本改进型的H-IIA火箭一级采用LE-7氢氧发动机，其推力矢量执行机构采用蓄压器+油箱的挤压式(Blowdown)液压系统，液压油做功后直接排空，见附图16。

国内CZ-3A\CZ-3B火箭8T液氢液氧发动机推力矢量控制电液伺服机构，采取从发动机氢气涡轮泵后引流高压氢气，驱动小功率叶片式气动机传动变量液压泵的能源方案，见附图17，该种气动机能源方案只适用于较小功率的伺服机构系统，不能用于本发明所要求的大功率伺服系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统。

本发明的技术解决方案是：

采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：该伺服系统包括一台伺服控制器、伺服机构A、伺服机构B、伺服机构C和伺服机构D；所述的伺服机构C与伺服机构A相同；所述的伺服机构D与伺服机构B相同；

所述的伺服控制器为三余度数字伺服控制器；

所述的伺服机构A该伺服机构包括氢气涡轮泵、冷却器、涡轮泵安装座、冷却器耳座和伺服机构作动器A；其中作动器A中的伺服阀采用三余度伺服阀，作动器A中的电位计采用三余度反馈电位计；

所述的氢气涡轮泵包括端盖、壳体和泵轮；壳体的上方固定连接端盖，壳体的下方固定连接泵轮，壳体内有螺旋型气路通道；端盖上有氢气进气口；

所述的涡轮泵安装座为两端带有法兰的实心圆柱体，圆柱体的侧面带有一个平台，两端的法兰分别为第一法兰和第二法兰，涡轮泵安装座上带有气路通道、高温低压油路通道、低温低压油路通道和低温高压油路通道；气路通道的入口位于平台上，气路通道的出口位于第一法兰上；高温低压油路通道的入口位于第二法兰上，高温低压油路通道的的出口位于第一法兰上；低温低压油路通道的入口位于第一法兰上，低温低压油路通道的出口位于涡轮泵安装座圆柱体内；低温高压油路通道的入口位于涡轮泵安装座圆柱体内，低温高压油路通道的出口位于第二法兰上；

氢气涡轮泵的泵轮的底端与低温低压油路通道的出口对接，氢气涡轮泵的壳体底端面与涡轮泵安装座的平台固定连接；氢气涡轮泵的泵轮的边缘与低温高压油路通道的入口对接；

所述的冷却器耳座为带有腔体的圆柱，圆柱开口的一端带有第三法兰，圆柱实芯的一端带有圆环；圆柱的侧面带有一平台，平台上有一个与圆柱的腔体相连通的圆孔；腔体和圆孔为冷却器耳座的气路通道，第三法兰端为气路通道的入口，圆孔端为气路通道的出口；

氢气涡轮泵的壳体底端面与涡轮泵安装座的平台固定连接，涡轮泵安装座上的气路通道的入口与氢气涡轮泵的壳体底端面之间通过柔性石墨垫进行密封，涡轮泵安装座上的低温低压油路通道与氢气涡轮泵的壳体底部圆柱之间通过密封圈进行密封；冷却器的第四法兰与涡轮泵安装座的第一法兰固定连接，冷却器的进油通道入口与涡轮泵安装座高温低压油路通到的出口连通，冷却器的出油通道出口与涡轮泵安装座低温低压油路通道的入口连通，两油路通道均采用密封圈进行密封；冷却器的气路通道的入口与涡轮泵安装座气路通道的出口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；冷却器的第五法兰与冷却器耳座的第三法兰固定连接；冷却器的气路通道的出口与冷却器耳座的气路通道入口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；涡轮泵安装座的第二法兰与伺服机构作动器固定连接，涡轮泵安装座的高温低压油路通道的入口与作动器的低压油路通道连通，涡轮泵安装座的低温高压油路通道的出口与作动器的高压油路通道连通，均通过密封圈进行油路通道密封；

所述的伺服机构B包括油箱、蓄能器、电机、油泵和作动器B；其中作动器B中的伺服阀采用三余度伺服阀，作动器B中的电位计采用三余度反馈电位计；所述的作动器B的左端与油箱的右端固定连接，油箱的左端与蓄能器的右端固定连接，油泵的右端与电机的左端固定连接，电机的下端面与蓄能器的右端上端面固定连接；油泵的吸油口、油泵泄油口与油箱通过油管连接；油泵高压出油口与作动器通过油管连接；

伺服机构A的作动器上有一个高压油口和一个低压油口，伺服机构B的作动器上有两个高压油口和两个低压油口，伺服机构A作动器的高压油口与伺服机构B作动器的其中一个高压油口通过高压油管连接，伺服机构A作动器的低压油口与伺服机构B作动器的其中一个低压油口通过低压油管连接；伺服机构B的另一个高压油口与伺服机构D作动器的其中一个高压油口通过高压油管连接；伺服机构B的另一个低压油口与伺服机构D作动器的其中一个低压油口通过低压油管连接；

伺服机构C作动器的高压油口与伺服机构D作动器的另一个高压油口通过高压油管连接，伺服机构C作动器的低压油口与伺服机构D作动器的另一个低压油口通过低压油管连接；

伺服控制器与伺服机构A的作动器、伺服机构B的作动器、伺服机构C的作动器、伺服机构D的作动器分别通过电缆连接。

伺服机构A与伺服机构B在发动机上呈90°安装；

伺服机构C与伺服机构D在另一台发动机上呈90°安装。

该伺服机构A包括氢气涡轮泵、冷却器、涡轮泵安装座、冷却器耳座和伺服机构作动器A；

所述的氢气涡轮泵包括端盖、壳体和泵轮；壳体的上方固定连接端盖，壳体的下方固定连接泵轮，壳体内有螺旋型气路通道；端盖上有氢气进气口；

所述的涡轮泵安装座为两端带有法兰的实心圆柱体，圆柱体的侧面带有一个平台，两端的法兰分别为第一法兰和第二法兰，涡轮泵安装座上带有气路通道、高温低压油路通道、低温低压油路通道和低温高压油路通道；气路通道的入口位于平台上，气路通道的出口位于第一法兰上；高温低压油路通道的入口位于第二法兰上，高温低压油路通道的的出口位于第一法兰上；低温低压油路通道的入口位于第一法兰上，低温低压油路通道的出口位于涡轮泵安装座圆柱体内；低温高压油路通道的入口位于涡轮泵安装座圆柱体内，低温高压油路通道的出口位于第二法兰上；

氢气涡轮泵的泵轮的底端与低温低压油路通道的出口对接，氢气涡轮泵的壳体底端面与涡轮泵安装座的平台固定连接；氢气涡轮泵的泵轮的边缘与低温高压油路通道的入口对接；

一种集成氢气涡轮泵伺服机构的伺服控制方法，从发动机或气源引流的高压氢气从氢气涡轮泵氢气进气口进入，高压氢气驱动氢气涡轮泵做功后，氢气依次经过氢气涡轮泵壳体螺旋气路通道、涡轮泵安装座气路通道、冷却器气路通道、冷却器耳座气路通道排出；伺服机构内高温低压油经伺服机构作动器A统一汇集，经涡轮泵安装座高温低压油路通道进入冷却器进油通道，在冷却器与低温氢气进行热交换后，经冷却器排油通道进入涡轮泵安装座低温低压油路通道，氢气涡轮泵泵轮高速旋转从涡轮泵安装座低温低压油路通道吸油，通过离心作用，将高压油泵出，高压油经涡轮泵安装座低温高压油路通道进入伺服机构作动器A高压油路通道，供伺服机构做功，做功后的高温低压油经汇集后重新在进入冷却器油路通道，形成闭式循环。

所述的冷却器耳座为带有腔体的圆柱，圆柱开口的一端带有第三法兰，圆柱实芯的一端带有圆环；圆柱的侧面带有一平台，平台上有一个与圆柱的腔体相连通的圆孔；腔体和圆孔为冷却器耳座的气路通道，第三法兰端为气路通道的入口，圆孔端为气路通道的出口；

氢气涡轮泵的壳体底端面与涡轮泵安装座的平台固定连接，涡轮泵安装座上的气路通道的入口与氢气涡轮泵的壳体底端面之间通过柔性石墨垫进行密封，涡轮泵安装座上的低温低压油路通道与氢气涡轮泵的壳体底部圆柱之间通过密封圈进行密封；冷却器的第四法兰与涡轮泵安装座的第一法兰固定连接，冷却器的进油通道入口与涡轮泵安装座高温低压油路通到的出口连通，冷却器的出油通道出口与涡轮泵安装座低温低压油路通道的入口连通，两油路通道均采用密封圈进行密封；冷却器的气路通道的入口与涡轮泵安装座气路通道的出口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；冷却器的第五法兰与冷却器耳座的第三法兰固定连接；冷却器的气路通道的出口与冷却器耳座的气路通道入口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；涡轮泵安装座的第二法兰与伺服机构作动器A固定连接，涡轮泵安装座的高温低压油路通道的入口与作动器A的低压油路通道连通，涡轮泵安装座的低温高压油路通道的出口与作动器A的高压油路通道连通，均通过密封圈进行油路通道密封。

所述的冷却器包括不锈钢壳体、前端板、折流板、管束、后端板和支撑杆；不锈钢壳体、前端板、折流板、管束、后端板和支撑杆的材料均为不锈钢材质；

所述的不锈钢壳体为承力件，不锈钢壳体为中空圆柱，其一端带有第四法兰，另一端带有第五法兰，在不锈钢壳体的侧壁上有加强筋，加强筋内部带有进油通道和出油通道，进油通道的入口在第四法兰上，出油通道的出口在第四法兰上，第一条通道出口在中空圆柱内表面且接近第五法兰处；出油通道入口在中空圆柱内表面且接近第四法兰；第四法兰和第五法兰上各有一密封凹槽；所述的不锈钢壳体通过其两端的法兰与伺服机构主体固定连接；

所述的前端板为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔；

所述的折流板为一带有缺口的圆板，圆板上分布有若干个毛细孔，圆板的边缘处有光孔；

所述的管束为毛细管；

所述的后端板为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔；

所述的支撑杆为实心不锈钢杆，支撑杆的一端焊接在前端板的底盘上，中间穿过折流板并与折流板点焊连接，支撑杆的另一端焊接在后端板的底盘上；

所述的管束依次穿过前端板、折流板和后端板，管束在前端板和后端板上均突出3-5mm；

所述的管束与前端板、后端板均采用钎焊焊接；

所述的前端板的外表面与不锈钢壳体的内表面相匹配，前端板插入不锈钢壳体内，前端板的上表面距不锈钢壳体第四法兰端面8～12mm，前端板的上表面与不锈钢壳体内表面采用氩弧焊角焊焊接；

所述的后端板的外表面与不锈钢壳体的内表面相匹配，后端板插入不锈钢壳体内，后端板的上表面距不锈钢壳体第五法兰端面8～12mm，后端板的上表面与不锈钢壳体内表面也采用氩弧焊角焊焊接；

从伺服机构主体流出的液压油首先通过进油通道进入管束组成的管间腔，经折流板的折流，通过折流板上的缺口沿管束的管间腔蜿蜒流动，并经出油通道流出；

所述的不锈钢壳体的两端法兰上的凹槽用于安装柔性石墨，通过柔性石墨对不锈钢壳体与伺服机构主体进行密封；

所述的不锈钢壳体的进油通道和出油通道与伺服机构本体的油路通道之间采用密封管进行连接，不锈钢壳体的进油通道入口端面上有一凹槽，进油通道入口内壁上有一凹槽和凸台，进油通道入口内壁上的凸台用于对密封管进行定位；进油通道入口内壁上凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道进行密封；不锈钢壳体的进油通道入口端面上的凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道进行双重密封；

所述的管束的毛细管为气路通道，管束与伺服机构本体出气管路连通，气路通道和出气管路之间通过柔性石墨进行密封。

不锈钢壳体采用屈服强度不低于为1100Mp的不锈钢，其厚度为4-5mm。

管束的内径为1.6-3mm，相邻管束之间的距离为2-5mm，管束呈正三角形布局。

冷却器的冷却方法，步骤为：伺服机构做功后的低温气体，经冷却器管束通道流动，并排出；同时伺服机构中的高温液压油经冷却器进油通道进入冷却器，经管束与折流板形成的流道蜿蜒流动，并从出油通道流出；过程中，管束内部的低温气体与管束外部的高温液压油通过管束毛细管外壁实现低温气体与高温液压油的热交换，完成对伺服机构液压油介质的温度控制。

三余度电液伺服阀包括三组前置级组件、主壳体、动压反馈组件、阀芯和阀套，三组前置级组件呈“品”字形安装于主壳体的三个平行于主孔的表面上，其反馈杆插入阀芯中间的同一个环形槽中，两组以上的动压反馈组件安装在动压反馈壳体中相互平行的主孔中，动压反馈壳体位于主壳体下方，与主壳体共用四个安装螺钉安装在伺服机构上，阀芯、阀套安装在主壳体的主孔中，三个前置级组件中的反馈杆均插在阀芯中间的同一个环形槽中，构成三个独立的力反馈回路。具体说来，前置级组件是电液转换组件，负责把控制电信号转换成液压信号；阀芯、阀套是伺服阀的功率输出部分，由前置级控制；动压反馈组件接收到负载的压差和频率，并反馈到前置级组件；主壳体是除动压反馈组件外的其他零组件的载体，与动压反馈组件一起构成一个完整的伺服阀。三余度电液伺服阀的工作过程为：外部的电流信号通过前置级组件和阀芯、阀套的作用，输出受电信号控制的具有一定流量和压力的液流，来驱动作为外部执行机构的油缸的运动，当驱动执行机构及负载的控制液流中出现高频谐振液流信号时，动压反馈组件即感受到这种谐振信号，并将反馈压差作用于前置级组件中，通过前置级组件中的相关零部件来抑制控制液流中的高频谐振液流信号，保证驱动执行机构及负载运动的稳定性。通过改变动压反馈组件的个数可以调节动压反馈的强度和提高产品的安全可靠性：当某一组前置级组件发生故障时，通过多数表决的原理，另两组前置级组件仍能保证产品正常工作；当某一组动压反馈组件发生故障时，另外的动压反馈组件仍能保证产品正常工作。

有益效果

伺服系统由1台伺服控制器完成4台伺服机构的闭环控制，实现两台液氢液氧发动机的双向摇摆控制；

(1)伺服系统控制回路采取了系统级三冗余设计方案，回路由三余度数字伺服控制器、三余度伺服阀、三余度反馈电位计组成。三余度伺服阀有三个独立的前置级，三余度位移传感器有三个独立的冗余通道。伺服控制器接收1553B总线上的三冗余数字控制指令，同时伺服控制器每1台子控制器采集1台伺服机构的三冗余位移传感器的3路线位移，由控制器中央处理单元执行线位移多数表决算法和数据闭环控制算法处理，经D/A转换及功率放大后输出伺服阀控制电流，输出到1台伺服机构三冗余伺服阀的1个前置级，在伺服阀的功率级滑阀上实现多数表决，可化解吸收冗余通道的一度故障。

(2)伺服系统应用到火箭上，火箭飞行时，从液氢液氧发动机引流的高压氢气，同时驱动伺服机构A(伺服机构C)上的氢气涡轮为四台伺服机构提供飞行用大功率液压能源。伺服机构A(伺服机构C)设置了冷却器，经涡轮膨胀做功后的低温氢气，作为冷却介质引入冷却器，与液压油进行热交换，冷却降温后的液压油进入涡轮泵的吸油口，氢气直接排出。通过采用低温氢气与液压油热交换技术，对油液进行温度控制，伺服机构能够满足长时间工作要求。

(3)地面测试或发动机未点火时即未提供高压氢气时，伺服机构A(伺服机构C)上的涡轮泵不工作，伺服机构B(伺服机构D)的电机驱动油泵为四台伺服机构提供测试用小功率液压能源。满足地面测试或发动机点火前控制需求。

(4)伺服机构B与D之间，通过含高/低压流体连接器的氟塑料软管实现高/低压油路的连接，实现能源冗余：1台发动机对应的伺服机构能源出现故障后，另1台涡轮泵(电机)能源可以为4台伺服机构提供能源。

(5)4台伺服机构在2台发动机上呈90°安装，实现2台发动机的4个自由度摇摆需求；

(6)采用三余度数字伺服控制器实现伺服系统闭环，可实现一度故障吸收；

(7)从2台发动机引流高压氢气作为伺服机构初级能源，对发动机结构无影响，为最简单的能源获取方式；

(8)伺服机构采用涡轮泵+冷却器能源方案，可将伺服机构内油液平衡温度维持在80℃，确保伺服机构长时间、可靠工作；

(9)四台伺服机构合理分配能源部件，将地面测试用能源与飞行用能源分开布置，满足测试及飞行任务的同时，使得结构紧凑、减重效果明显。

(10)三余度电液伺服阀由于采用了三组独立的前置级作为先导级，而不是三个完整的电液伺服阀，因此，在实现相同的余度控制功能情况下，只需要在普通伺服阀的基础上，在主壳体上平行于主孔轴线的另两个表面各安装一组前置级组件，每个前置级组件上的反馈杆都插入阀芯中间的环形槽中，并相应调整主壳体的油路结构，便可以实现前置级的三余度控制功能，而无需增加其它任何辅助元件，设计方案简捷、结构紧凑、重量轻、便于加工、调试方便；其次，动压反馈组件与主壳体的分体式设计方法，使得动压反馈组件和主壳体在几何结构上是相互独立的，安装和拆卸均十分方便，在调试或维修中需要更换零件时，分体式的设计方法使得动压反馈部分和主壳体部分互不干扰，提高了工作效率和便于故障定位；最后，由于动压反馈组件与主壳体采用了分体式设计结构，根据实际需求可以在动压反馈壳体中安装更多的动压反馈组件，轻松调节动压反馈强度，提高产品的安全可靠性。

附图说明

图1中伺服机构的结构组成示意图；

图2为伺服机构的伺服控制过程示意图；

图3为涡轮泵安装座内部的气路及油路通道位置关系示意图；其中，1为气路通道，2为低温低压油路通道，3为低温高压油路通道，4为高温低压油路通道；

图4为冷却器耳座的结构示意图；

图5为冷却器的结构示意图；

图6为冷却器中不锈钢壳体的立体结构示意图；

图7为三余度控制回路示意图；

图8为本发明的系统的工作过程示意图；

图9为本发明的系统组成示意图；

图10为三余度电液伺服阀整体结构示意图；

图11为三余度电液伺服阀整体结构剖视图；

图12为三余度电液伺服阀主壳体结构示意图；

图13为三余度电液伺服阀动压反馈壳体结构示意图；

图14为现有技术中发动机涡轮泵齿轮减速后驱动液压泵的伺服机构；

图15为现有技术中涡轮与减速器驱动液压泵伺服机构；

图16为现有技术中挤压式油箱伺服机构；

图17为现有技术中气动机伺服机构。

具体实施方式

本发明的多变量多余度数控伺服系统应用在液氢液氧发动机上，包括一台伺服控制器、伺服机构A、两台伺服机构B、伺服机构C和伺服机构D；所述的伺服机构C与伺服机构A相同；所述的伺服机构D与伺服机构B相同；

所述的伺服控制器为三余度数字伺服控制器；

所述的伺服机构A如图1所示，一种集成氢气涡轮泵的伺服机构，该伺服机构包括氢气涡轮泵1、冷却器2、涡轮泵安装座3、冷却器耳座4、伺服机构作动器A5、柔性石墨密封垫6、密封圈7、螺栓8、螺栓9、螺栓10和螺栓11；

所述的氢气涡轮泵1包括端盖、壳体和泵轮；壳体的上方固定连接端盖，壳体的下方固定连接泵轮，壳体内有螺旋型气路通道；端盖上有氢气进气口；

如图3所示，所述的涡轮泵安装座3为两端带有法兰的实心圆柱体，圆柱体的侧面带有一个平台，两端的法兰分别为第一法兰和第二法兰，安装座3上带有气路通道1、高温低压油路通道4、低温低压油路通道2和低温高压3油路通道；气路通道的入口位于平台上，气路通道的出口位于第一法兰上；高温低压油路通道的入口位于第二法兰上，高温低压油路通道的的出口位于第一法兰上；低温低压油路通道的入口位于第一法兰上，低温低压油路通道的出口位于安装座3圆柱体内；低温高压油路通道的入口位于安装座3圆柱体内，低温高压油路通道的出口位于第二法兰上；

氢气涡轮泵1的泵轮的底端与低温低压油路通道的出口对接，氢气涡轮泵1的壳体底端面与安装座3的平台通过螺栓11固定连接；氢气涡轮泵1的泵轮的边缘与低温高压油路通道的入口对接；

如图4所示，所述的冷却器耳座4为带有腔体的圆柱，圆柱开口的一端带有第三法兰，圆柱实芯的一端带有圆环，圆环用于该伺服机构与外围设备的连接；圆柱的侧面带有一平台，平台上有一个与圆柱的腔体相连通的圆孔；腔体和圆孔为冷却器耳座4的气路通道，第三法兰端为气路通道的入口，圆孔端为气路通道的出口；

氢气涡轮泵1的壳体底端面与安装座3的平台通过螺栓11固定连接，安装座3上的气路通道的入口与氢气涡轮泵1的壳体底端面之间通过柔性石墨垫6进行密封，安装座3上的低温低压油路通道与氢气涡轮泵1的壳体底部圆柱之间通过密封圈进行密封；冷却器2的第一法兰与涡轮泵安装座3的第一法兰通过螺栓8固定连接，冷却器2的进油通道入口与涡轮泵安装座3高温低压油路通到的出口连通，冷却器2的出油通道出口与涡轮泵安装座3低温低压油路通道的入口连通，两油路通道均采用密封圈7进行密封。冷却器2的气路通道的入口与涡轮泵安装座3气路通道的出口连通，通过柔性石墨密封垫6进行密封；冷却器2的第二法兰与冷却器耳座4的第三法兰通过螺栓9固定连接；冷却器2的气路通道的出口与冷却器耳座4的气路通道入口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；涡轮泵安装座3的第二法兰与伺服机构作动器A5通过螺栓10固定连接，涡轮泵安装座3的高温低压油路通道的入口与作动器A5的低压油路通道连通，涡轮泵安装座3的低温高压油路通道的出口与作动器A5的高压油路通道连通，均通过密封圈进行油路通道密封。

如图2所示，伺服控制方法为：从发动机(或气源)引流的高压氢气从涡轮泵1氢气进气口进入，高压氢气驱动涡轮泵1做功后，氢气依次经过涡轮泵1壳体螺旋气路通道、涡轮泵安装座3气路通道、冷却器2气路通道、冷却器耳座4气路通道排出；

油路通道：伺服机构内高温低压油经伺服机构作动器A5统一汇集，经涡轮泵安装座3高温低压油路通道进入冷却器2进油通道，在冷却器2与低温氢气进行热交换后，经冷却器2排油通道进入涡轮泵安装座3低温低压油路通道，涡轮泵2泵轮高速旋转从涡轮泵安装座3低温低压油路通道吸油，通过离心作用，将高压油泵出，高压油经涡轮泵安装座3低温高压油路通道进入伺服机构作动器A5高压油路通道，供伺服机构做功，做功后的高温低压油经汇集后重新在进入冷却器2油路通道，形成闭式循环。

如图5和图6所示，冷却器2包括不锈钢壳体21、前端板22、折流板23、管束24、后端板25、支撑杆26；不锈钢壳体21左端设进油通道2131和出油通道2132；不锈钢壳体21的两端分别为第四法兰211和第五法兰212；

从发动机(或气源)引流的10Mpa高压氢气从涡轮泵1氢气进气口进入，高压氢气驱动涡轮泵1做功后，-70℃低温氢气依次经过涡轮泵1壳体螺旋气路通道、涡轮泵安装座3气路通道，在冷却器2经气路通道与高温液压油进行热交换后，经冷却器耳座4气路通道排出；

油路通道：伺服机构内高温低压油经伺服机构作动器A5统一汇集，70L/min、80℃液压油经涡轮泵安装座3高温低压油路通道进入冷却器2进油通道，在冷却器2与低温氢气进行热交换后，油液温度降为60℃以下，低温液压油经冷却器2排油通道进入涡轮泵安装座3低温低压油路通道，涡轮泵2泵轮高速旋转从涡轮泵安装座3低温低压油路通道吸油，通过离心作用，将高压油泵出，24MPa高压油(液压功率为28kW)经涡轮泵安装座3低温高压油路通道进入伺服机构作动器A5高压油路通道，供伺服机构做功，做功后的高温低压油经汇集后重新在进入冷却器2油路通道，形成闭式循环。

采用冷却器2对液压油路油液进行热交换，冷却器出口的油液持续维持60℃，并处于热平衡状态，使得伺服机构工作时间远超600s。

冷却器的冷却过程为：冷却器选用600根直径为2mm的不锈钢毛细管，散热面积为2m²。伺服机构做功后的-70℃低温氢气，经冷却器管束24通道流动，并排出；同时伺服机构中温度为80℃、流量为70L/min的液压油经冷却器进油通道2131进入冷却器，经管束24与折流板23形成的流道蜿蜒流动，并从出油通道2132流出；过程中，管束24内部的低温气体与管束24外部的高温液压油通过管束外壁实现低温气体与高温液压油的热交换，经热交换后，排出的氢气温度升至-20℃以上，而同时，液压油工作介质降低至60℃以下，完成对伺服机构液压油介质的温度控制。

如图7所示，伺服系统的控制回路由三余度数字伺服控制器、三余度伺服阀、三余度反馈电位计组成。三余度伺服阀有三个独立的前置级，三余度位移传感器有三个独立的冗余通道。伺服控制器接收1553B总线上的三冗余数字控制指令，同时伺服控制器每1台子控制器采集1台伺服机构的三冗余位移传感器的3路线位移，由控制器中央处理单元执行线位移多数表决算法和数据闭环控制算法处理，经D/A转换及功率放大后输出伺服阀控制电流，输出到1台伺服机构三冗余伺服阀的1个前置级，在伺服阀的功率级滑阀上实现多数表决，可化解吸收冗余通道的一度故障。

如图8所示，伺服系统应用到火箭上，火箭飞行时，从液氢液氧发动机引流的高压氢气，驱动伺服机构A上的氢气涡轮为四台伺服机构提供飞行用大功率液压能源。伺服机构A设置了冷却器，经涡轮膨胀做功后的低温氢气，作为冷却介质引入冷却器，与液压油进行热交换，冷却降温后的液压油进入涡轮泵的吸油口，氢气直接排出。通过采用低温氢气与液压油热交换技术，对油液进行温度控制，伺服机构能够满足长时间工作要求。

地面测试或发动机未点火时即未提供高压氢气时，伺服机构A上的涡轮泵不工作，伺服机构B的电机驱动油泵为四台伺服机构提供测试用小功率液压能源。满足地面测试或发动机点火箭控制需求。

如图9所示，伺服控制器与伺服机构A的作动器、伺服机构B的作动器、伺服机构C的作动器、伺服机构D的作动器分别通过电缆连接。

如图10所示，三余度电液伺服阀用螺钉将三个前置级组件101分别安装在主壳体102的三个平行于主孔轴线的表面上，两组或两组以上的动压反馈组件103安装在动压反馈壳体104的相互平行的主孔中，动压反馈壳体104置于主壳体102的正下方，其安装尺寸与主壳体102相同，安装时，用螺钉105穿过主壳体102和动压反馈壳体104，将二者共同安装在伺服机构上。由于动压反馈壳体104和主壳体102采用了分体式的设计结构，二者在几何结构上是相互独立的，便于安装拆卸。另外，在调试或维修中需要更换零件时，分体式的设计方法使得动压反馈部分和主壳体部分互不干扰，这样可以提高工作效率和便于故障定位。

如图11所示，阀芯106、阀套107安装在主壳体102的主孔中，三个前置级组件101中的反馈杆108均插在阀芯106中间的同一个环形槽中，构成三个独立的力反馈回路。

如图12所示，主壳体102的三个平行于主孔轴线的表面，具有相同的油路结构，用于安装三个前置级组件101，充分利用了主壳体102的表面空间，使得产品结构紧凑。

如图13所示，动压反馈壳体104中具有两个或两个以上的主孔，用于安装动压反馈组件103。由于动压反馈壳体104和主壳体102在几何结构上是相互独立的，因此，通过改变动压反馈壳体104中主孔的个数即动压反馈组件103的个数，在丝毫不改变主壳体102及其他零组件的情况下，可以轻松调节伺服阀的动压反馈强度，提高产品的安全可靠性。

Claims (10)

1.采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：该伺服系统包括一台伺服控制器、伺服机构A、伺服机构B、伺服机构C和伺服机构D；所述的伺服机构C与伺服机构A相同；所述的伺服机构D与伺服机构B相同；

所述的伺服控制器为三余度数字伺服控制器；

所述的伺服机构A包括氢气涡轮泵(1)、冷却器(2)、涡轮泵安装座(3)、冷却器耳座(4)和伺服机构作动器A(5)；其中作动器A(5)中的伺服阀采用三余度伺服阀，作动器A(5)中的电位计采用三余度反馈电位计；

所述的氢气涡轮泵(1)包括端盖、壳体和泵轮；壳体的上方固定连接端盖，壳体的下方固定连接泵轮，壳体内有螺旋型气路通道；端盖上有氢气进气口；

所述的涡轮泵安装座(3)为两端带有法兰的实心圆柱体，圆柱体的侧面带有一个平台，两端的法兰分别为第一法兰和第二法兰，涡轮泵安装座(3)上带有气路通道、高温低压油路通道、低温低压油路通道和低温高压油路通道；气路通道的入口位于平台上，气路通道的出口位于第一法兰上；高温低压油路通道的入口位于第二法兰上，高温低压油路通道的出口位于第一法兰上；低温低压油路通道的入口位于第一法兰上，低温低压油路通道的出口位于涡轮泵安装座(3)圆柱体内；低温高压油路通道的入口位于涡轮泵安装座(3)圆柱体内，低温高压油路通道的出口位于第二法兰上；

氢气涡轮泵(1)的泵轮的底端与低温低压油路通道的出口对接，氢气涡轮泵(1)的壳体底端面与涡轮泵安装座(3)的平台固定连接；氢气涡轮泵(1)的泵轮的边缘与低温高压油路通道的入口对接；

所述的冷却器耳座(4)为带有腔体的圆柱，圆柱开口的一端带有第三法兰，圆柱实芯的一端带有圆环；圆柱的侧面带有一平台，平台上有一个与圆柱的腔体相连通的圆孔；腔体和圆孔为冷却器耳座(4)的气路通道，第三法兰端为气路通道的入口，圆孔端为气路通道的出口；

氢气涡轮泵(1)的壳体底端面与涡轮泵安装座(3)的平台固定连接，涡轮泵安装座(3)上的气路通道的入口与氢气涡轮泵(1)的壳体底端面之间通过柔性石墨垫进行密封，涡轮泵安装座(3)上的低温低压油路通道与氢气涡轮泵(1)的壳体底部圆柱之间通过密封圈进行密封；冷却器(2)的第四法兰与涡轮泵安装座(3)的第一法兰固定连接，冷却器(2)的进油通道入口与涡轮泵安装座(3)高温低压油路通到的出口连通，冷却器(2)的出油通道出口与涡轮泵安装座(3)低温低压油路通道的入口连通，两油路通道均采用密封圈进行密封；冷却器(2)的气路通道的入口与涡轮泵安装座(3)气路通道的出口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；冷却器(2)的第五法兰与冷却器耳座(4)的第三法兰固定连接；冷却器(2)的气路通道的出口与冷却器耳座(4)的气路通道入口连通，通过柔性石墨密封垫进行密封；涡轮泵安装座(3)的第二法兰与伺服机构作动器(5)固定连接，涡轮泵安装座(3)的高温低压油路通道的入口与作动器(5)的低压油路通道连通，涡轮泵安装座(3)的低温高压油路通道的出口与作动器(5)的高压油路通道连通，均通过密封圈进行油路通道密封；

所述的伺服机构B包括油箱、蓄能器、电机、油泵和作动器B；其中作动器B中的伺服阀采用三余度伺服阀，作动器B中的电位计采用三余度反馈电位计；所述的作动器B的左端与油箱的右端固定连接，油箱的左端与蓄能器的右端固定连接，油泵的右端与电机的左端固定连接，电机的下端面与蓄能器的右端上端面固定连接；油泵的吸油口、油泵泄油口与油箱通过油管连接；油泵高压出油口与作动器通过油管连接；

伺服机构A的作动器上有一个高压油口和一个低压油口，伺服机构B的作动器上有两个高压油口和两个低压油口，伺服机构A作动器的高压油口与伺服机构B作动器的其中一个高压油口通过高压油管连接，伺服机构A作动器的低压油口与伺服机构B作动器的其中一个低压油口通过低压油管连接；伺服机构B的另一个高压油口与伺服机构D作动器的其中一个高压油口通过高压油管连 接；伺服机构B的另一个低压油口与伺服机构D作动器的其中一个低压油口通过低压油管连接；

伺服机构C作动器的高压油口与伺服机构D作动器的另一个高压油口通过高压油管连接，伺服机构C作动器的低压油口与伺服机构D作动器的另一个低压油口通过低压油管连接；

伺服控制器与伺服机构A的作动器、伺服机构B的作动器、伺服机构C的作动器、伺服机构D的作动器分别通过电缆连接。

2.根据权利要求1所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：所述的冷却器包括不锈钢壳体(21)、前端板(22)、折流板(23)、管束(24)、后端板(25)和支撑杆(26)；

所述的不锈钢壳体(21)为中空圆柱，其一端带有第四法兰(211)，另一端带有第五法兰(212)，在不锈钢壳体(21)的侧壁上有加强筋(213)，加强筋(213)内部带有进油通道(2131)和出油通道(2132)，进油通道(2131)的入口在第四法兰(211)上，出油通道(2132)的出口在第四法兰(211)上，进油通道(2131)出口在中空圆柱内表面且接近第五法兰(212)处；出油通道(2132)入口在中空圆柱内表面且接近第四法兰(211)处；

所述的不锈钢壳体(21)通过其两端的第四法兰(211)和第五法兰(212)与伺服机构主体固定连接，并通过柔性石墨进行密封；

所述的支撑杆(26)的一端焊接在前端板(22)的上，中间穿过折流板(23)并与折流板(23)点焊连接，支撑杆(26)的另一端焊接在后端板(25)上；

所述的管束(24)依次穿过前端板(22)上的毛细孔、折流板(23)和后端板(25)上的毛细孔，管束(24)在前端板(22)和后端板(25)上均突出3-5mm；

所述的管束(24)与前端板(22)、后端板(25)均采用钎焊焊接；

所述的前端板(22)的外表面与不锈钢壳体(21)的内表面相匹配，前端板(22)插入不锈钢壳体(21)内，前端板(22)的上表面距不锈钢壳体(21) 第四法兰(211)端面8～12mm，前端板(22)的上表面与不锈钢壳体(21)内表面采用氩弧焊角焊焊接；

所述的后端板(25)的外表面与不锈钢壳体(21)的内表面相匹配，后端板(25)插入不锈钢壳体(21)内，后端板(25)的上表面距不锈钢壳体(21)第五法兰(212)端面8～12mm，后端板(25)的上表面与不锈钢壳体(21)内表面采用氩弧焊角焊焊接。

3.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：所述的不锈钢壳体(21)的进油通道(2131)和出油通道(2132)与伺服机构本体的油路通道之间采用密封管进行连接，不锈钢壳体(21)的进油通道(2131)入口端面上有一凹槽，进油通道(2131)入口内壁上有一凹槽和凸台，进油通道(2131)入口内壁上的凸台用于对密封管进行定位；进油通道(2131)入口内壁上凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道(2131)进行密封；不锈钢壳体(21)的进油通道(2131)入口端面上的凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道(2131)进行双重密封。

4.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：所述的管束(24)为气路通道，管束(24)与伺服机构主体出气管路连通，气路通道和出气管路之间通过柔性石墨进行密封。

5.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：不锈钢壳体(21)采用屈服强度不低于为1100Mp的不锈钢，其厚度为4-5mm。

6.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：管束(24)的内径为1.6-3mm，相邻管束(24)之间的距离为2-5mm，管束(24)呈正三角形布局。

7.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：第四法兰(211)和第五法兰(212)上各有一密封凹槽用于安装柔性石墨。

8.根据权利要求2所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：所述的前端板(22)为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔，所述的折流板(23)为一带有缺口的圆板，圆板上分布有若干个毛细孔，圆板的边缘处有光孔；所述的管束(24)为毛细管，所述的后端板(25)为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔，所述的支撑杆(26)为实心不锈钢杆，支撑杆(26)的一端焊接在前端板(22)的底盘上，中间穿过折流板(23)并与折流板(23)点焊连接，支撑杆(26)的另一端焊接在后端板(25)的底盘上。

9.根据权利要求1所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：所述的三余度伺服阀包括三组前置级组件(101)、主壳体(102)、动压反馈组件(103)、动压反馈壳体(104)、阀芯(106)和阀套(107)；动压反馈壳体(104)中具有两个或两个以上的主孔，用于安装动压反馈组件(103)；主壳体(102)的三个平行于主孔轴线的表面，具有相同的油路结构，用于安装三个前置级组件(101)；动压反馈壳体(104)中具有两个或两个以上的主孔，用于安装动压反馈组件(103)；三组前置级组件(101)呈“品”字形安装于主壳体(102)的三个平行于主孔的表面上，其反馈杆(108)插入阀芯(106)中间的同一个环形槽中，两组以上的动压反馈组件(103)安装在动压反馈壳体(104)中相互平行的主孔中，动压反馈壳体(104)位于主壳体(102)下方，与主壳体(102)共用四个安装螺钉(105)安装在伺服机构上，阀芯(106)、阀套(107)安装在主壳体(102)的主孔中，三个前置级组件(101)中的反馈杆(108)均插在阀芯(106)中间的同一个环形槽中，构成三个独立的力反馈回路。

10.根据权利要求1所述的采用多源氢气能源的多变量多余度数控伺服系统，其特征在于：伺服机构A与伺服机构B在发动机上呈90°安装；伺服机构C与伺服机构D在另一台发动机上呈90°安装。