CN111271194B - 一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管，包括：导弹发动机由四个单轴摆动喷管组成，每个喷管均配有一套伺服系统控制摆动，每台伺服系统与发动机轴线垂直的轴在一个方向上摆动，仅提供一个方向的侧向力。每一套单轴摆动喷管机构包括：喷管壳体、燃烧室、喷管喉部、喷管、连杆传动机构、滚珠丝杠驱动机构，伺服电机转子通过联轴器与丝杠连接，转子的旋转运动驱动机构中的滚珠丝杠，滚珠丝杠旋转带动丝杠螺母沿着平行导杆进行直线运动，丝杠螺母的直线运动连带连杆机构一起，连杆与喷管之间球形连接，进而实现喷管的单侧摆动。并设有四套单轴摆动喷管机构相互配合，实现俯仰、偏航和滚动3个方向的控制。

Description

一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管

技术领域

本发明属于导弹推力矢量控制技术领域，特别是一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管。

背景技术

在传统的飞行器动力装置的设计中，发动机只能提供平行于机身轴向的动力，而飞行器的姿态调整需要靠气动舵面偏转所产生的非对称气动力矩来实现。随着推力矢量技术在飞行器姿态控制中的不断应用，飞行器的机动性得到了较大程度的提升。推力矢量技术是指通过改变发动机喷出气流方向来控制飞行器飞行姿态的一种方法。推力矢量技术由发动机推力的分量产生气动力矩，可以直接对飞行器的姿态进行控制，大大的提高了飞行器的机动性能。

推力矢量控制伺服系统简称伺服系统，是导弹控制系统中的执行机构，它的作用是根据控制系统的指令，控制喷管的摆角，改变发动机喷焰的排出方向，产生侧向控制力矩，改变导弹在飞行中的姿态，使之按预定轨道稳定飞行。全轴摆动喷管的活动体可绕发动机轴线上某点在各个方向摆动，提供任何方向上的侧向力，为火箭、导弹提供俯仰、偏航控制力。

单轴摆动喷管的活动体绕与发动机轴线垂直的轴在一个方向上摆动，提供一个方向的侧向力；为实现俯仰、偏航和滚动3个方向的控制，采用4个喷管，分布对称布置。左右两喷管同向摆动提供俯仰方向力矩，上下两喷管同向摆动提供偏航方向力矩，左右或者上下两侧喷管异向摆动或者分布放置的四个喷管沿着同一时针方向摆动提供滚转力矩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管，以四个单轴摆动喷管360度方向均匀布置，滚珠丝杠传动方式驱动喷管偏转，实现俯仰、偏航和滚动的转动力矩，达到姿态快速调节的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管，包括4个均匀布置的单轴摆动喷管装置，单轴摆动喷管装置包括燃烧室、喷管、喷管外罩、滚珠丝杠传动机构，连杆连动机构；

喷管喉部、燃烧室采用法兰连接，保证连接强度和装置的气密性；

滚珠丝杠传动机构包括电机外壳、电机转子、磁电式编码器、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠支座、直线轴承、平行导杆，电机转子与滚珠丝杠通过联轴器连接，电机转子转动带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠与丝杠螺母采用螺纹配合，丝杠螺母与平行导杆之间安装有直线轴承，滚珠丝杠旋转带动丝杠螺母沿平行导杆进行直线运动。

连杆连动机构包括连动连杆，球形连杆A，球形连杆B，传动杆和球形连杆A、球形连杆B的转轴端通过六角螺栓固定连接，球形连杆A和球形连杆B的球形端与喷管侧面耳部球形轴承A球形轴承B同心连接，传动杆和球形连杆A、球形连杆B安装之前调节相对位置，由六角螺栓固定连接后，三者相对位置不会变化。

滚珠丝杠传动机构和连杆连动机构通过直线轴承连接，滚珠丝杠机构中直线轴承的直线运动改变连杆连动机构的空间角度，继而改变喷管一个方向的偏转角度。

电机转子带动丝杠转动，转化为丝杠螺母的直线运动，丝杠螺母通过直线轴承连动连杆机构，驱动连杆机构推动喷管的一侧；滚珠丝杠传动和连杆连动机构相互配合配合，推动喷管到空间一侧的某一角度。

四套滚单轴摆动喷管相互配合协同工作，给定喷管任意的俯仰、偏航和滚转力矩和三方向上的侧向力，继而可以唯一确定四个位置喷管的摆动角度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)推力矢量配合四个单轴摆动喷管，可以提供俯仰、偏航和滚转方向的控制力和控制力矩，减小系统的复杂性和重量，降低了系统的成本；

(2)在推力矢量控制中引入滚珠丝杠驱动，摩擦损失小，传动效率高，控制精度高，并且电力消耗小；在喷管底部摆动和喷管侧面受推动中引入了球形连接，保证了摆动自由度，摩擦损失小，喷管摆动驱动力矩小；

(3)使用滚珠丝杠驱动控制结构(滚珠丝杠传动机构、连杆连动机构)，对喷管某一轴上摆动角度位置进行控制，并且可以通过观测信息(电机转速、喷管姿态)反馈实现对喷管摆动角度的闭环稳定控制，系统工作可靠性高。

附图说明

图1是本发明推力矢量摆动喷管的总体外部示意图。

图2是本发明推力矢量摆动喷管的四个单轴摆动喷管总体布局示意图。

图3是本发明推力矢量摆动喷管的四个单轴摆动喷管内部结构布局示意图。

图4是本发明推力矢量摆动喷管的单个单轴摆动喷管及机械传动机构示意图。

图5是本发明推力矢量摆动喷管的单个单轴摆动喷管及机械传动机构的剖面结构图。

具体实施方式

本发明用于飞行器推力矢量的推力矢量摆动喷管：

一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管，具体包括：由四个单轴摆动喷管组成，单个单轴摆动喷管包括喷管外罩3、喷管5、喷管喉部7、燃烧室4、滚珠丝杠驱动机构、连杆传动机构燃烧室；

喷管5、喷管喉部7采用球形连接，保证喷管摆动的自由度；

喷管喉部7、燃烧室4采用法兰连接，保证连接强度和装置的气密性；

滚珠丝杠传动机构包括电机外壳19、电机转子18、磁电式编码器20、联轴器10、丝杠8、丝杠螺母16、丝杠支座6、直线轴承17、平行导杆9，伺服电机转子18与丝杠8通过联轴器10连接，电机转子18转动带动丝杠8转动，丝杠8与丝杠螺母16采用螺纹配合，丝杠螺母16与平行导杆9之间安装有直线轴承17，丝杠8旋转带动丝杠螺母16沿平行导杆进行直线运动。

连杆连动机构包括传动杆15，球形连杆A12，球形连杆B14,直线轴承17与传动杆15之间转动副连接，传动杆15和球形连杆A12、球形连杆B14的转轴端通过六角螺栓13固定连接，球形连杆A12和球形连杆B14的球形端与喷管5球形连接，传动杆15和球形连杆A12、球形连杆B14安装之前调节相对位置，由六角螺栓13固定连接后，三者相对位置不会变化。

滚珠丝杠传动机构和连杆连动机构通过直线轴承17连接，滚珠丝杠机构中直线轴承17的直线运动改变连杆连动机构的空间角度和喷管5单轴方向的偏转角度。

电机转子18带动丝杠8转动，转化为丝杠螺母16的直线运动，丝杠螺母16通过直线轴承17带动连杆机构，驱动连杆机构推动喷管5的一侧；四套单轴摆动喷管机构分别成90度安装配合，实现任意俯仰、偏航和滚转力矩控制。

四套滚单轴摆动喷管相互配合协同工作，给定喷管任意的俯仰、偏航和滚转力矩和三方向上的侧向力，可以唯一确定四个位置喷管的摆动角度。

下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述

结合图1、图2、图3

本发明推力矢量摆动喷管机构，包含四个单轴摆动喷管装置，360度角度均匀分布，每个单轴摆动喷管装置包括一套滚珠丝杠传动机构、一套连杆连动机构。

本发明推力矢量摆动喷管机构，包含四个单轴摆动喷管装置，每个单轴摆动喷管装置只向一个方向摆动，并且依照逆时针方向摆动角度90度变化，平行的两个喷管摆动方向相反。

再结合图4、图5

本发明发动机推力矢量喷管机构，每个单轴摆动喷管装置由包括喷管外罩3、喷管5、喷管喉部7、燃烧室4，喷管5与喷管喉部7采用球形连接，保证喷管摆动的自由度，并在连接处填充润滑材料，保证气密性和减小摩擦；喷管喉部7、燃烧室4采用法兰连接，保证连接强度和装置的气密性。

参照图4，滚珠丝杠传动机构包括电机外壳19、电机转子18、磁电式编码器20、联轴器10、滚珠丝杠8、丝杠螺母16、丝杠支座6，伺服电机转子18一端固定在丝杠支座的底部平面上，电机采用高速的直流无刷电机，电机输出轴可以与磁电式编码器20固定连接，磁电式编码器20可以实时测量伺服电机输出轴转动角速度。伺服电机转子18另一端输出轴通过联轴器10与滚珠丝杠连接，为了避免加工精度对安装精度的影响，联轴器采用十字滑块式结构。伺服电机实现了对丝杠螺母的闭环位置反馈控制。为了保证丝杠螺母的平行运动，在丝杠支座上安装了平行导杆，为了减少摩擦，平行导杆与丝杠螺母之间安装了直线轴承。为了安装方便，伺服电机与滚珠丝杠以及平行导杆都安装在了丝杠支座上，丝杠支座整体安装在喷管外罩的丝杠支座孔里，通过螺钉紧固。

参照图5，连杆连动机构包括连动连杆11，球形连杆A12，球形连杆B14，传动杆15和球形连杆A12、球形连杆B14的转轴端通过六角螺栓13固定连接，三者相对位置不会变化，可以视为一个可以稳定连接喷管5和十字万向节12的长度可预先调节的连接杆。

参照图3、图4，丝杠支座6外表面与喷管外罩的内表面同弧度，保证完全贴合。丝杠8中轴线与喷管外罩中轴线所构成平面与直线轴承保持垂直，在喷管不发生摆动时候，连杆连动机构同在丝杠中轴线与喷管外罩中轴线所构成平面中。

本发明工作时，根据需要提供的俯仰、偏航和滚转力矩，确定每个单轴摆动喷管的摆动角度，继而推算出滚珠丝杠螺母需要行进距离，并转化为电机转子期望的转动运动圈数。伺服电机旋转运动时，电机上的磁电式编码器20测量电机的转速，电机输出轴通过联轴器10转动滚珠丝杠的丝杠轴，丝杠轴的旋转带动丝杠螺母沿平行导杆进行直线运动，直线轴承17连接丝杠螺母16和平行导杆9；直线轴承17的平动带动连杆机构转动，连杆15带动与其固联的球形连杆12、14一起运动，球形连杆12、14与喷管球形连接，连杆机构从喷管耳部侧面推动，确定喷管摆动到单侧某一角度；喷管摆动角度由电位器检测，通过稳定控制算法可以实现单轴摆动喷管的角度定位。

单轴摆动喷管的活动体绕与发动机轴线垂直的轴在一个方向上摆动，提供一个方向的侧向力；左右两喷管同向摆动提供俯仰方向力矩，上下两喷管同向摆动提供偏航方向力矩，左右或者上下两侧喷管异向摆动或者分布放置的四个喷管沿着同一时针方向摆动提供滚转力矩。

Claims (1)

1.一种滚珠丝杠驱动的推力矢量多轴摆动喷管，其特征在于，包括喷管壳体（1）（2）及4个单轴摆动喷管机构，单个的单轴摆动喷管包括外罩（3）、喷管（5）、喷管喉部（7）、燃烧室（4）、滚珠丝杠驱动机构、连杆传动机构组成； 所述的喷管（5）、喷管喉部（7）采用球形连接，保证喷管全轴摆动的自由度； 所述的喷管喉部（7）、燃烧室（4）采用法兰连接，保证连接强度和装置的气密性； 所述的滚珠丝杠驱动机构包括电机外壳（19）、电机转子（18）、联轴器（10）、滚珠丝杠（8）、丝杠螺母（16）、直线轴承（17）、平行导杆（9）以及丝杠支座（6）；所述的电机转子（18）通过联轴器（10）与滚珠丝杠（8）连接，所述的平行导杆（9）安装在丝杠支座（6）上，所述的直线轴承（17）连接丝杠螺母（16）与平行导杆（9）；所述的电机转子（18）带动滚珠丝杠（8）转动，所述的丝杠螺母（16）与滚珠丝杠（8）螺纹配合，将滚珠丝杠（8）的转动转换为丝杠螺母（16）的直线运动，进而实现直线轴承（17）的直线运动； 所述的连杆传动机构包括连动连杆（11）、传动杆（15）、球形连杆A（12）、球形连杆B（14）、六角螺栓（13），所述的传动杆（15）与直线轴承（17）转动副连接，所述的传动杆（15）与球形连杆A（12）、球形连杆B（14）通过六角螺栓（13）固定连接，所述的球形连杆A（12）、球形连杆B（14）球形端与固定在活动喷管（5）侧面的球形轴承同心连接；所述的的直线轴承（17）带动平行导杆（9）一起直线运动，所述的直线轴承（17）带动连杆传动杆球形连杆A（12）、球形连杆B（14）、传动杆（15）转动，所述的固定在活动喷管（5）侧面的球形轴承的空间位置发生变化； 传动杆（15）与球形连杆A（12）球形连杆B（14）相对位置通过六角螺栓（13）固定，调节传动杆（15）相对六角螺栓（13）的安装角度可以改变连杆传动机构的作用长度；球形连杆A（12）、球形连杆B（14）与喷管（5）球形连接，相对单个连杆推动喷管作用更加稳固； 联轴器（10）为十字滑块式结构；球形连杆A（12）、球形连杆B（14）与喷管（5）之间的球形连接用于提高喷管（5）自身转动自由度； 丝杠支座（6）外表面与喷管外罩（3）内表面相切，丝杠支座（6）周边设置螺纹孔，通过螺钉固连在喷管外罩（3）内壁面； 根据需要提供的俯仰、偏航和滚转力矩，确定每个单轴摆动喷管的摆动角度，继而推算出滚珠丝杠螺母需要行进距离，并转化为电机转子（18）期望的转动运动圈数；电机转子（18）旋转运动时，电机外壳（19）上的磁电式编码器（20）测量转速，电机转子（18）通过联轴器（10）转动滚珠丝杠（8），滚珠丝杠（8）的旋转带动丝杠螺母（16）沿平行导杆进行直线运动，直线轴承（17）连接丝杠螺母（16）和平行导杆（9）；直线轴承（17）的平动带动连杆机构转动，传动杆（15）带动与其固联的球形连杆A（12）、球形连杆B（14）一起运动，球形连杆A（12）、球形连杆B（14）与喷管（5）球形连接，连杆机构从喷管耳部侧面推动，确定喷管摆动到单侧某一角度；喷管摆动角度由电位器检测，通过稳定控制算法可以实现单轴摆动喷管的角度定位。