CN110979741B - 一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构 - Google Patents

一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构 Download PDF

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Abstract

一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，包括：栅格舵本体、爆炸螺栓盒、异形旋转轴、展开轴。栅格舵本体的一端通过展开轴连接异形旋转轴；用于再入返回时绕旋转轴转动。异形旋转轴的轴线和展开轴的轴线互相垂直；栅格舵本体的另一端通过高温合金螺栓连接爆炸螺栓盒，用于运载火箭上升段飞行时与箭壁连接。栅格舵本体表面划分为多个均布的栅格结构，每个栅格结构的侧壁截面为尖头钝尾型截面，用于返回时高效提供姿态控制力，每个栅格结构壁面的厚度变化趋势相同。本发明能适用于有轻质高效要求的高速再入落区控制段，填补国内运载火箭子级再入落区控制领域的空白。

Description

一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构
技术领域
本发明涉及一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，尤其涉及台阶锯齿型传力锁止一体化且栅格截面为尖头钝尾变剖面的栅格舵结构，适用于需要高效气动力控制的运载火箭子级落区控制领域。
背景技术
当前我国长征系列运载火箭常态维持高强密度发射状态，子级残骸落区及安全性已经成为影响运载火箭飞行方案及运载性能的关键因素。为提高运载火箭子级残骸落区安全性、提高火箭任务适应性，提出了采用栅格式舵面结构进行落区控制的需求。当前国内运载火箭均未采用栅格舵结构用于落区控制。XX-2F逃逸整流罩采用了栅格式固定翼结构，但其不能用于姿态控制，仅用于增强气动稳定性。在小型固体火箭领域对栅格舵结构进行了尝试，但尺寸小(外形尺寸不超过1000mm)、截面固定(等壁厚矩形截面，激波不容易穿透格栅，气动外形较差)、锁定面多为平面(需额外的结构限制另外一个方向的自由度，结构笨重)，多用于低速的上升段，不能适用于有轻质高效要求的高速再入落区控制段。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，适用于有轻质高效要求的高速再入落区控制段，填补国内运载火箭子级再入落区控制领域的空白。
本发明的技术方案是：
一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，包括：栅格舵本体、爆炸螺栓盒、异形旋转轴、展开轴；
栅格舵本体的一端通过展开轴连接异形旋转轴；所述异形旋转轴的轴线和展开轴的轴线互相垂直；
栅格舵本体的另一端连接爆炸螺栓盒；
栅格舵本体表面划分为多个均布的栅格结构，每个栅格结构的侧壁截面为尖头钝尾型截面；每个栅格结构壁面的厚度变化趋势相同；
栅格结构壁面包括等厚度段和变厚度段，变厚度段的长度L1和栅格结构壁总长度L的比例为2～3：10；
所述等厚度段的壁厚t的取值范围为3～5mm，所述变厚度段截面为锥形，锥角的取值范围为5°～10°。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明实现了整体式变剖面栅格舵结构，每个格栅截面为尖头钝尾形，符合气动流线型，更好提供了再入返回时的姿态控制力。
2)本发明实现台阶锯齿型传力锁止一体化设计，三方向六自由度同时约束，栅格舵结构轻质高效，降低了对运载火箭运载能力的影响。
3)本发明通过简化设计缩短了生产周期、降低了成本，满足了复杂的空间尺寸要求；通过实物模装，确定该结构方案可行；通过静力试验、功能试验和飞行试验验证，栅格舵本体结构完好，转动灵活，充分证明结构强度、刚度、转动功能等各项指标满足要求。
附图说明
图1为本发明结构展开状态示意图；
图2为本发明结构折叠状态示意图；
图3为本发明锯齿台阶型变剖面栅格舵本体结构示意图；
图4为本发明尖头钝尾变剖面格栅结构示意图；
图5为本发明双耳处锯齿形台阶结构示意图；
图6为本发明锯齿台阶型异形旋转轴结构示意图；
图7为本发明锯齿台阶配合关系示意图；
图8为本发明展开轴结构示意图；
图9为本发明爆炸螺栓盒结构示意图。
1-栅格舵本体、2-爆炸螺栓盒、3-异形旋转轴、4-展开轴
具体实施方式
根据整体布局的实现要求以及满足载荷强度、刚度、防热等要求，通过工程计算、有限元分析进行初步协调和参数调整，通过工艺攻关确保制造可达性，通过静力试验、功能试验进行强度、功能等总体要求的指标验证。
本发明一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，包括：栅格舵本体1、爆炸螺栓盒2、异形旋转轴3、展开轴4。
栅格舵本体1的一端通过展开轴4连接异形旋转轴3；用于再入返回时绕旋转轴转动。所述异形旋转轴3的轴线和展开轴4的轴线互相垂直；
栅格舵本体1的另一端通过高温合金螺栓连接爆炸螺栓盒2，用于运载火箭上升段飞行时与箭壁连接。
栅格舵本体1表面划分为多个均布的栅格结构，每个栅格结构的侧壁截面为尖头钝尾型截面，用于返回时高效提供姿态控制力，每个栅格结构壁面的厚度变化趋势相同。如图4所示，栅格结构壁面包括等厚度段和变厚度段，变厚度段的长度L1和栅格结构壁总长度L的比例为2～3：10。所述等厚度段的壁厚t的取值范围为3～5mm，所述变厚度段截面为锥形，锥角的取值范围为5°～10°。前缘倒角半径为Rf，后缘倒角半径为Rb，需要Rb>Rf以实现尖头钝尾的气动外形。
所述栅格舵本体1的一端通过双耳结构连接展开轴4；
所述双耳结构和展开轴4配合位置设置有限位结构，用于限制展开轴4和栅格舵本体1之间的转动范围。通过各自的台阶锯齿面啮合实现展开到位后的锁定与主要传力，并用于再入返回时绕旋转轴转动。本发明结构展开状态示意图如图1所示，本发明结构折叠状态示意图如图2所示。
所述栅格舵本体1通过铸造成型。
所述展开轴4内部设置扭簧，所述扭簧用于提供栅格舵本体1相对展开轴4转动的扭转力。所述栅格舵本体1的材料为高温钛合金。所述爆炸螺栓盒2的材料为高强度钢。所述异形旋转轴3、展开轴4的材料均为不锈钢。
具体的，本发明变剖面栅格舵本体1采用高温钛合金精铸机加而成，整体尺寸达到了1500×1000mm。为适应与异形旋转轴3的连接，保证连接强度和刚度，设计为双耳+边框+格栅一体式结构。为更好扩散气动力对双耳根部的影响，格栅在靠近双耳部分设计为厚度渐变结构形式，且中心三角区增加水平筋，提高连接强度和刚度，如图3所示。
为提供更好的姿态控制力，每个栅格剖面设计为尖头钝尾变剖面形式，更符合空气动力学原理，有利于激波穿透格栅，极大提高了控制效率，如图4所示。
为栅格舵展开到位提供锁止平面，并传递再入过程的气动载荷，将栅格舵本体1双耳结构处设计为锯齿形台阶，锯齿可增加接触面积，更好传递气动载荷的同时提供全方向六自由度约束，较以往结构减轻了另一个方向自由度约束所需的结构重量，同时减轻对展开轴4的变形影响，更有利于展开功能的实现。如图5所示。
该栅格舵本体1采用熔模精铸工艺，格栅外形由精铸保证，仅在连接部位进行少量机加工处理，最大程度提高了生产效率，降低了成本。
异形旋转轴3采用不锈钢锻件机加而成。将异形旋转轴3与展开轴4轴套合二为一，受力更加直接的同时减轻结构重量。异形旋转轴3部分放置于轴承上，用于栅格舵本体1整体绕轴旋转。展开轴4轴套部分设置锯齿台阶，与栅格舵本体1双耳结构的锯齿台阶相配合，用于承受再入返回时的气动力及相应弯矩，并提供栅格舵展开到位的锁定面。如图6所示。
栅格舵本体1的双耳结构与异形旋转轴3通过锯齿形台阶啮合，其配合关系如图7所示。
展开轴4为阶梯带端盖轴，采用不锈钢棒材机加而成，内部设置扭簧，用于提供栅格舵展开力。展开轴4既实现栅格舵展开功能，又将栅格舵本体1与异形旋转轴3连成一体，实现传力功能，具有轻质高效多功能的特点。如图8所示。
爆炸螺栓盒2采用高强钢锻件机加而成。为适应无污染爆炸螺栓的连接，保证连接强度和刚度，设计为盒型结构。盒型背面开10-Φ10通孔，通过高温合金螺栓与栅格舵本体1连接。如图9所示。
加工上述舵结构的方法，包括步骤如下：
1)用高温钛合金按照图纸要求加工出栅格舵本体1；
2)用高强钢锻件加工出爆炸螺栓盒2；
3)用不锈钢加工出异形旋转轴3；
4)用不锈钢加工出展开轴4；
5)使用展开轴4将栅格舵本体1与异形旋转轴3连接成一个整体，使用高温合金螺栓将爆炸螺栓盒2和栅格舵本体1连接成一个整体；
6)检验栅格舵双耳与异形旋转轴3的台阶锯齿间隙。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，包括：栅格舵本体(1)、爆炸螺栓盒(2)、异形旋转轴(3)、展开轴(4)；
栅格舵本体(1)的一端通过展开轴(4)连接异形旋转轴(3)；
所述异形旋转轴(3)的轴线和展开轴(4)的轴线互相垂直；
栅格舵本体(1)的另一端连接爆炸螺栓盒(2)；
栅格舵本体(1)表面划分为多个均布的栅格结构，每个栅格结构的侧壁截面为尖头钝尾型截面，每个栅格结构壁面的厚度变化趋势相同；
栅格结构壁面包括等厚度段和变厚度段，变厚度段的长度L1和栅格结构壁总长度L的比例为2～3：10；
所述等厚度段的壁厚t的取值范围为3～5mm，所述变厚度段截面为锥形，锥角的取值范围为5°～10°；
展开轴(4)轴套部分设置锯齿台阶，与栅格舵本体(1)双耳结构的锯齿台阶相配合，用于承受再入返回时的气动力及相应弯矩，并提供栅格舵展开到位的锁定面。
2.根据权利要求1所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述栅格舵本体(1)的一端通过双耳结构连接展开轴(4)；
所述双耳结构和展开轴(4)配合位置设置有限位结构，用于限制展开轴(4)和栅格舵本体(1)之间的转动范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述栅格舵本体(1)通过铸造成型。
4.根据权利要求1所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述展开轴(4)内部设置扭簧，所述扭簧用于提供栅格舵本体(1)相对展开轴(4)转动的扭转力。
5.根据权利要求1～4任意之一所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述栅格舵本体(1)的材料为高温钛合金。
6.根据权利要求1～4任意之一所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述爆炸螺栓盒(2)的材料为高强度钢。
7.根据权利要求1～4任意之一所述的一种基于落区控制的锯齿台阶型变剖面栅格舵结构，其特征在于，所述异形旋转轴(3)、展开轴(4)的材料均为不锈钢。
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