CN105630002A - 一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机的推力调节领域，具体涉及一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构。本发明包括执行机构与控制系统；执行机构包括直流伺服电机、小齿轮、大齿轮、谐波减速器、小轴、大轴、对接手爪和电位计；执行机构与调节器进行安装；控制系统接收控制指令与反馈信号，实现齿轮轴按照指令规定的运动特性旋转。本发明解决了现有技术难以实现快速变推力调节的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于发动机的推力调节技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构。
背景技术
液体火箭发动机的大范围变推力调节是指对发动机推力和混合比实施控制，使其按一定的规律或既定的程序在较大范围内变化，从而满足飞行任务对动力系统的要求。推力调节是提高液体火箭发动机适应性的关键。变推力可方便实现火箭最佳推力控制和飞行大风区减载设计，大幅度提高运载能力，用于载人飞行则可有效控制过载，显著提高火箭机动性能和多任务适应能力。
国外主流的变推力液氧煤油发动机流量调节阀都采用了伺服机构进行控制。20世纪80年代，美国马歇尔航天飞行中心推进技术实验室针对航天飞机主发动机(SSME)开发了流量调节机电伺服机构样机。同时，马歇尔航天飞行中心针对当时的先进发射系统项目委托，开展航天运输主发动机流量调节机电伺服机构控制装置的研制，验证用于液体火箭发动机控制的适应性，包括低温、振动、冲击环境适应性以及系统可靠性等。俄罗斯RD-170/180系列液氧煤油发动机流量调节阀采用了与其推力矢量控制用的主伺服机构相同的电液伺服机构控制方案。采用七位数字电液伺服阀控制的液压作动器控制流量调节阀的开度。其结构设计紧凑，与发动机紧密集成在一起。欧洲等国家也于90年代末开始液体火箭发动机的流量调节机电伺服控制研究。1997年，德国戴姆勒-奔驰宇航中心针对ARIANE5上面级发动机燃烧室阀的流量调节功能，与伺服控制专业公司Moog公司合作，于2006年完成了具备与发动机联试的机电伺服控制装置样机。
我国变推力发动机研究工作始于20世纪80年代。1983年国防科技大学研制了我国第一台双组元变推力液体火箭发动机，利用杠杆带动流量调节锥和喷注器的调节针阀实现推力调节。但杠杆机构空间结构尺寸较大，不适于工程应用。90年代，航天科技集团六院与高校联合研究双组元双调节低压流量定位变推力液体火箭发动机，取消了杠杆系统，首次采用液压作动器调节流量与控制混合比，但结构上没能与发动机融为一体，控制上也有未解决的问题，离工程化还有明显差距。进入21世纪以来，航天科技集团六院等发动机研制单位明确提出了适用于变推力调节的快速响应和小型化技术需求，在YF-36和冲压发动机上分别采用小型化步进电机控制作动器和快速响应电磁阀实现流量调节的工程应用研究，并在我国新研的18吨液氧煤油发动机上采用了步进电机实现了“15吨起动→18吨”的转级变推力控制，但受步进电机起动响应时间限制，还不能实现快速的变推力调节。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有技术中的变推力发动机不能实现快速的变推力调节。
本发明的技术方案如下所述：
一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，包括执行机构和控制系统，控制系统控制执行机构运转，所述执行机构包括直流伺服电机、电机联结销子、小齿轮、大齿轮、谐波减速器、大齿轮连接键、小轴键、小轴、大轴、螺钉、螺栓和电位计：直流伺服电机的输出轴与小齿轮通过电机联结销子实现同轴安装；小齿轮、大齿轮均为直齿锥齿轮，安装后轴线相互垂直，实现啮合传动；大齿轮、谐波减速器分别通过大齿轮连接键和小轴键固定在小轴上，实现同轴安装；大轴通过螺钉与谐波减速器连接；机电伺服机构对接手爪通过螺栓与大轴进行连接，从而实现将直流伺服电机的高转速、低转矩转换为低转速、高转矩；电位计与大轴同轴安装，通过测量大轴转速，实现对机电伺服机构的闭环控制；
所述控制系统如下所述：控制指令经模数转换芯片转换为数字指令；通过角度传感器测得谐波齿轮减速机构输出轴摆角，角度传感器的反馈电压通过A/D转换通道转换为角度反馈数字量；所述数字指令和角度反馈数字量输入至DSP控制电路，二者相减产生误差信号，并计算得出控制量；控制量输入至驱动电路，产生无刷电机驱动电流；无刷电机依据驱动电流的极性和大小转动，并使执行机构中谐波减速器的输出轴产生相应的力矩和速度，实现输出轴，即齿轮轴，按照控制指令规定的运动特性旋转。
作为优选方案：所述的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构还包括机电伺服机构对接法兰、机电伺服机构对接螺钉、机电伺服机构对接手爪、调节器对接手爪：安装过程中，所述机电伺服机构对接手爪的零位刻线与调节器对接手爪的零位刻线对接，保证满足机械零位；机电伺服机构对接法兰的安装零位刻线与调节器相应安装面零位刻线对接，同时通过机电伺服机构对接螺钉进行连接，保证机电作动器对接法兰端面与调节器相应安装面贴紧。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，将伺服控制技术应用于液体火箭发动机流量调节上，能够完成调节阀的精确闭环控制，将其响应速度由秒级提升至毫秒级，实现了快速变推力调节；在保证高可靠性的基础上，流量调节伺服机构与调节阀高度集成，具有较小的体积和重量、抗强振动和测试使用方便等特点。
(2)本发明的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，电机与减速器、传感器集成化设计，有效利用空间，使伺服机构更加紧凑，体积减小，实现了机电伺服机构的集成一体化设计。
(3)本发明的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，采用对接手爪与流量调节器可靠联结，使用时伺服机构容易安装、拆卸、维护方便。
(4)本发明的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，相比于传统的电液伺服机构，具有调节精度高、响应速度快、工作高可靠、结构与维护简单、系统配置方便的优点，采用DSP实现数字控制，通过调整软件参数可实现控制机构方便灵活的控制，满足液体火箭发动机变推力对流量调节的需求，且不存在漏油、漏气问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构与调节器安装示意图；
图2为变推力调节机电伺服机构执行机构示意图；
图3为变推力调节机电伺服机构控制系统基本原理图。
图中：1-执行机构，2-机电伺服机构对接法兰，3-机电伺服机构对接螺钉，5-调节器对接手爪，6-调节器，101-直流伺服电机，102-电机联结销子，103-小齿轮，104-大齿轮，105-谐波减速器，106-大齿轮连接键，107-小轴键，108-小轴，109-大轴，110-螺钉，111-机电伺服机构对接手爪，112-螺栓，113-电位计
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中的液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，包括执行机构1和控制系统，控制系统控制执行机构运转。
如图2所示，一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构的执行机构，包括直流伺服电机101、电机联结销子102、小齿轮103、大齿轮104、谐波减速器105、大齿轮连接键106、小轴键107、小轴108、大轴109、螺钉110、机电伺服机构对接手爪111，螺栓112和电位计113。
直流伺服电机101的输出轴与小齿轮103通过电机联结销子102实现同轴安装；小齿轮103、大齿轮104均为直齿锥齿轮，安装后轴线相互垂直，实现啮合传动；大齿轮104、谐波减速器105分别通过大齿轮连接键106和小轴键107固定在小轴108上，实现同轴安装；大轴109通过8个螺钉110与谐波减速器105连接；机电伺服机构对接手爪111通过4个螺栓112与大轴109进行连接，从而实现将直流伺服电机101的高转速、低转矩转换为低转速、高转矩。电位计113与大轴109同轴安装，通过测量大轴109转速，实现对机电伺服机构的闭环控制。
如图3所示，一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构的控制系统如下所述：控制指令经模数转换芯片转换为数字指令；通过角度传感器测得谐波齿轮减速机构输出轴摆角，角度传感器的反馈电压通过A/D转换通道转换为角度反馈数字量；所述数字指令和角度反馈数字量输入至DSP控制电路，二者相减产生误差信号，采用现有技术中的控制算法得出控制量；控制量输入至驱动电路，产生无刷电机驱动电流；无刷电机依据驱动电流的极性和大小转动，并使执行机构1谐波减速器105的输出轴产生相应的力矩和速度，实现输出轴，即齿轮轴，按照控制指令规定的运动特性旋转。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
如图1所示，本实施例所提供的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，包括执行机构1、机电伺服机构对接法兰2、机电伺服机构对接螺钉3、机电伺服机构对接手爪111、调节器对接手爪5。
安装时，所述机电伺服机构对接手爪111的零位刻线与调节器对接手爪5的零位刻线对接，保证满足机械零位；机电伺服机构对接法兰2的安装零位刻线与调节器6相应安装面零位刻线对接，同时通过机电伺服机构对接螺钉3进行连接，保证机电作动器对接法兰端面与调节器相应安装面贴紧。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (2)
1.一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，包括执行机构(1)和控制系统，控制系统控制执行机构运转，其特征在于：
所述执行机构包括直流伺服电机(101)、电机联结销子(102)、小齿轮(103)、大齿轮(104)、谐波减速器(105)、大齿轮连接键(106)、小轴键(107)、小轴(108)、大轴(109)、螺钉(110)、螺栓(112)和电位计(113)：直流伺服电机(101)的输出轴与小齿轮(103)通过电机联结销子(102)实现同轴安装；小齿轮(103)、大齿轮(104)均为直齿锥齿轮，安装后轴线相互垂直，实现啮合传动；大齿轮(104)、谐波减速器(105)分别通过大齿轮连接键(106)和小轴键(107)固定在小轴(108)上，实现同轴安装；大轴(109)通过螺钉(110)与谐波减速器(105)连接；机电伺服机构对接手爪(111)通过螺栓(112)与大轴(109)进行连接，从而实现将直流伺服电机(101)的高转速、低转矩转换为低转速、高转矩；电位计(113)与大轴(109)同轴安装，通过测量大轴(109)转速，实现对机电伺服机构的闭环控制；
所述控制系统如下所述：控制指令经模数转换芯片转换为数字指令；通过角度传感器测得谐波齿轮减速机构输出轴摆角，角度传感器的反馈电压通过A/D转换通道转换为角度反馈数字量；所述数字指令和角度反馈数字量输入至DSP控制电路，二者相减产生误差信号，并计算得出控制量；控制量输入至驱动电路，产生无刷电机驱动电流；无刷电机依据驱动电流的极性和大小转动，并使执行机构(1)中谐波减速器(105)的输出轴产生相应的力矩和速度，实现输出轴，即齿轮轴，按照控制指令规定的运动特性旋转。
2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构，其特征在于：
液体火箭发动机变推力调节机电伺服机构还包括机电伺服机构对接法兰(2)、机电伺服机构对接螺钉(3)、机电伺服机构对接手爪(111)、调节器对接手爪(5)：安装过程中，所述机电伺服机构对接手爪(111)的零位刻线与调节器对接手爪(5)的零位刻线对接，保证满足机械零位；机电伺服机构对接法兰(2)的安装零位刻线与调节器(6)相应安装面零位刻线对接，同时通过机电伺服机构对接螺钉(3)进行连接，保证机电作动器对接法兰端面与调节器相应安装面贴紧。
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