CN107976315B - 一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，包括安装平台、侧滑系统、攻角系统和推力测量部件；侧滑系统包括回转支承、侧滑角平台、侧滑角伺服电动缸；攻角系统包括支撑架、发动机安装平台、攻角驱动连杆、滚动直线轨道、攻角滑块和攻角伺服电动缸；推力测量部件包括前连接块、发动机后抱环、推力传感器、动架、滚动直线导轨。通过本发明能够研究固冲发动机的迎角特性，同时能够解决自由射流试验中，在攻角调节机构上的发动机推力测量问题，和固冲发动机攻角侧滑角伺服问题。

Description

一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构

技术领域

本发明涉及固体火箭冲压发动机(以下简称固冲发动机)自由射流试验技术领域，具体为一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，

背景技术

固冲发动机属于吸气式发动机，在地面试验中自由射流试验是重要的试验技术，将固冲发动机安装在自由射流喷管出口的等马赫菱形区内，能够模拟固冲发动机进气道捕获空气的能力。引射系统将射流喷管的试验工质和固冲发动机燃烧产物引射至大气中，保持试验舱的低压环境，模拟固冲发动机在高空飞行时的状态。

固冲发动机主要由进气道、燃气发生器、补燃室等组成。固冲发动机的主要技术难点在于：1)由助推—转级—续航三工况转换阶段；2)续航工况下，冲压发动机工作的性能。其中固冲发动机在飞行中的迎角特性对这两个技术难点都有影响。

迎角特性是指固冲发动机在飞行中的攻角和侧滑角，在不同攻角和侧滑角下发动机的超声速进气道的波系状态完全不同，对发动机的三工况转级可靠性和续航时冲压阶段固冲发动机性能产生很大的影响，攻角调节结构用于验证固冲发动机不同迎角下的技术状态。

为研究固冲发动机的性能，需要在自由射流试验系统中(如附图1所示)，模拟发动机超声速进气道的波系状态，完全模拟发动机的内流。与风洞相比，风洞多采用的试验模型或缩比模型，测量气动力和外流场；自由射流试验中，固冲发动机采用全尺寸结构，并且在试验系统中完成火工品点火试验。因此风洞中模型使用的尾支撑结构不能满足要求(会挡住发动机喷管出口)，自由射流试验中的攻角侧滑角伺服机构所要求的推力和结构强度也更高。

所以为试验固冲发动机在不同攻角和侧滑角状态下的工作性能，需要一套固冲发动机自由射流试验攻角侧滑角伺服机构，使在试验过程中能够调节固冲发动机的姿态。

固冲发动机自由射流试验中攻角侧滑角伺服机构主要存在的设计问题有：

(1)自由射流试验，攻角调节机构上的推力测量问题

在固冲发动机自由射流试验中，发动机的推力是试验的必测量。自由射流攻角侧滑角伺服机构必须满足发动机推力测量需求，并且固冲发动机推力较大，伺服机构需要满足一定的安全系数。

(2)需要满足固冲发动机攻角侧滑角伺服功能

与风洞试验相比，自由射流试验中，发动机与风洞直径比小，约1:5。要求在狭小的空间内实现固冲发动机的攻角和侧滑角调节，且具有轴向最小的横截面积不能影响试验系统的启动特性。

目前尚未查询到公开资料涉及自由射流试验领域能够同时实现固冲发动机攻角侧滑角伺服调节和推力测量功能。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，用于研究固冲发动机的迎角特性，同时能够解决自由射流试验中，在攻角调节机构上的发动机推力测量问题，和固冲发动机攻角侧滑角伺服问题。

本发明的技术方案为：

所述一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，其特征在于：包括安装平台、侧滑系统、攻角系统和推力测量部件；

所述侧滑系统包括回转支承、侧滑角平台、侧滑角伺服电动缸；回转支承固定在安装平台上，侧滑角平台安装在回转支承上；侧滑角伺服电动缸缸体安装在安装平台上，并与安装平台铰接；侧滑角伺服电动缸的作动端与侧滑角平台铰接，在侧滑角伺服电动缸驱动下，侧滑角平台能够绕回转支承转动；

所述攻角系统包括支撑架、发动机安装平台、攻角驱动连杆、滚动直线轨道、攻角滑块和攻角伺服电动缸；支撑架、滚动直线轨道和攻角伺服电动缸均固定安装在侧滑角平台上；支撑架上端与发动机安装平台前部通过攻角转轴转动连接；攻角伺服电动缸的作动端连接攻角滑块，并能够驱动攻角滑块在滚动直线轨道上滑动，滚动直线轨道平行于发动机安装平台上的固冲发动机轴线方向；攻角驱动连杆两端分别与攻角滑块和发动机安装平台后部铰接；在攻角伺服电动缸驱动下，攻角驱动连杆能够驱动发动机安装平台绕攻角转轴转动；

所述推力测量部件包括前连接块、发动机后抱环、推力传感器、动架、滚动直线导轨；固冲发动机通过前连接块和发动机后抱环两个位置固连在动架上，其中后抱环为主承力部位，前连接块与动架之间采用轴向方向的长条孔结构配合，提供轴向位移并约束其余自由度；两条滚动直线导轨沿固冲发动机轴向安装在发动机安装平台前部和后部，动架安装在两条滚动直线导轨上；发动机安装平台中部凹陷，用于固定安装推力传感器，动架中部有凸起处于凹陷内，并与推力传感器固连。

有益效果

采用本发明能够满足固冲发动机自由射流试验中攻角和侧滑角的高精度伺服控制；而且能够满足固冲发动机推力测量需求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：自由射流试验系统示意图；

其中：1、加热器；2、混合器；3、整流段；4、射流喷管；5、固冲发动机；6、攻角侧滑角伺服机构；7、试验舱；8、引射系统；

图2：自由射流固冲发动机攻角侧滑角伺服机构示意图；

其中：9、固冲发动机；10、进气道；11、发动机安装平台；12、滚动直线导轨；13、攻角转轴；14、推力传感器；15、支撑架；16、回转支承；17、攻角驱动连杆；18、滚动直线轨道；19、侧滑角伺服电动缸；20、侧滑角平台；21、攻角伺服电动缸；

图3：侧滑系统俯视图；

其中：22、安装平台；23、安装平台与侧滑伺服电动缸铰接点；

图4：攻角系统0°状态；

其中：27、攻角滑块；

图5：正攻角状态；

图6：负攻角状态；

图7：发动机推力测量示意图；

其中：24、前连接块；25、动架；26、发动机后抱环。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提出一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，用于研究固冲发动机的迎角特性，同时能够解决自由射流试验中，在攻角调节机构上的发动机推力测量问题，和固冲发动机攻角侧滑角伺服问题。

如图1所示，固冲发动机自由射流试验主要是由加热器产生高温空气，再混合一定量得冷空气达到试验所需气流的质量和总温、总压；经过射流喷管在喷管出口处形成菱形等马赫数试验区；固冲发动机头部和进气道入口放置在等马赫数菱形区内；攻角侧滑角伺服机构伺服控制发动机，使发动机在单次试验中能够测得不同迎角条件下的性能参数。

总体方案：

自由射流固冲发动机攻角侧滑角伺服机构(如附图2所示)，主要由回转支承、侧滑角伺服电动缸、攻角伺服电动缸、滚动直线导轨、推力传感器等组成。

(1)侧滑角伺服原理

侧滑角伺服电动缸一端与地面安装平台连接，另一端安装在侧滑角平台上。当侧滑角伺服电动缸作用时，侧滑角平台绕回转支承转动，实现侧滑角的伺服控制。回转支承能够提供较大的倾转力矩，能够满足发动机工作时，较大推力的安全约束。

(2)攻角调节原理

攻角伺服电动缸一端连接在侧滑角平台上，另一端安装在攻角驱动连杆的滑块上。当攻角伺服电动缸作用时，滑块在滚动直线轨道上滑动，攻角驱动连杆驱动发动机安装平台绕攻角转轴转动，实现发动机攻角的伺服控制。

侧滑系统

侧滑伺服系统(如附图3所示)主要由回转支承、侧滑角平台、侧滑角伺服电动缸组成，其中安装平台与侧滑角伺服电动缸、侧滑角平台与侧滑角伺服电动缸都采用铰接。随着侧滑角伺服电动缸作用，驱动侧滑角平台绕回转支承转动，图中a点为侧滑角0°时，b、c点为侧滑角正负最大角。

攻角系统

攻角调节采用连杆滑块机构，攻角平台(发动机安装平台)与支撑架采用铰接结构，使攻角平台绕攻角转轴转动；采用2条直线导轨，当滑块在攻角伺服电动推杆作用下滑动时，驱动攻角平台转动，调节发动机攻角。附图4为攻角0°时状态、附图5为正攻角状态、附图6为负攻角状态。

推力测量

发动机推力测量系统(如附图7)所示，发动机通过前连接块和发动机后抱环两个位置固连在动架上，其中后抱环为主承力部位，前连接块采用长条孔结构提供小路的轴向位移并约束其余自由度。动架与攻角平台采用前后两个直线导轨连接，提供发动机推力测量所需的轴向平移自由度。这里利用滚动直线导轨使发动机仅具有轴向移动自由度，用于发动机的推力测量，其优点是占用空间小。

本发明内容按以下方法实施：

1、用计算机+运动控制卡控制伺服控制器，伺服控制器控制伺服电动缸，运动控制卡与伺服电动缸组成位置、速度闭环控制系统；

2、在计算机中设计伺服控制策略，并设置为外部触发模式；

3、试验开始后，时序控制系统向攻角侧滑角伺服控制系统发送触发指令；

4、攻角侧滑角伺服控制系统按照设定的控制策略，控制固冲发动机在自由射流试验中的攻角和侧滑角。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种用于固冲发动机自由射流试验的攻角侧滑角伺服机构，其特征在于：包括安装平台、侧滑系统、攻角系统和推力测量部件；

所述侧滑系统包括回转支承、侧滑角平台、侧滑角伺服电动缸；回转支承固定在安装平台上，侧滑角平台安装在回转支承上；侧滑角伺服电动缸缸体安装在安装平台上，并与安装平台铰接；侧滑角伺服电动缸的作动端与侧滑角平台铰接，在侧滑角伺服电动缸驱动下，侧滑角平台能够绕回转支承转动；

所述攻角系统包括支撑架、发动机安装平台、攻角驱动连杆、滚动直线轨道、攻角滑块和攻角伺服电动缸；支撑架、滚动直线轨道和攻角伺服电动缸均固定安装在侧滑角平台上；支撑架上端与发动机安装平台前部通过攻角转轴转动连接；攻角伺服电动缸的作动端连接攻角滑块，并能够驱动攻角滑块在滚动直线轨道上滑动，滚动直线轨道平行于发动机安装平台上的固冲发动机轴线方向；攻角驱动连杆两端分别与攻角滑块和发动机安装平台后部铰接；在攻角伺服电动缸驱动下，攻角驱动连杆能够驱动发动机安装平台绕攻角转轴转动；

所述推力测量部件包括前连接块、发动机后抱环、推力传感器、动架、滚动直线导轨；固冲发动机通过前连接块和发动机后抱环两个位置固连在动架上，其中后抱环为主承力部位，前连接块与动架之间采用轴向方向的长条孔结构配合，提供轴向位移并约束其余自由度；两条滚动直线导轨沿固冲发动机轴向安装在发动机安装平台前部和后部，动架安装在两条滚动直线导轨上；发动机安装平台中部凹陷，用于固定安装推力传感器，动架中部有凸起处于凹陷内，并与推力传感器固连。