CN113958427A - 一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，包括喷管本体、轴承和伺服电机，所述的伺服电机安装在固体姿轨控发动机上，输出端固连一个传动齿轮；所述的喷管本体为L型结构，一端通过轴承安装在固体姿轨控发动机机上，连通固体姿轨控发动机的燃气管路，且外壁固连有齿轮结构，与传动齿轮啮合，喷管本体在电机驱动下绕自身旋转轴转动，从而改变喷管本体的另一端在垂直于固体姿轨控发动机轴线的平面内的朝向。本发明结构简单，质量轻、可靠性高，能够通过较少的喷管实现所需推力/力矩的输出。

Description

一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管

技术领域

本发明涉及一种姿控喷管，属于固体姿轨控发动机技术领域。

背景技术

姿控喷管主要用于各型姿轨控动力系统，依靠输出的推力，调整并稳定飞行器的姿态。

目前应用于固体姿轨控发动机的姿控喷管主要形式分为两类：一类是一次性工作脉冲式姿控喷管，常用于脉冲阵列式姿轨控系统，在该系统中，多个姿控喷管环绕飞行器周围安装至少一圈，每个姿控喷管相当于一个小型固体火箭发动机，需要输出冲量时，特定位置及数量的姿控喷管工作；另一种是可调整开关或推力大小的连续工作姿控喷管，常用于燃气式固体多喷管姿轨控系统，在该系统中，姿控喷管按照特定位置布局，燃气发生器或其他燃气供给系统持续提供工质，不同位置与组合的姿控喷管通过开关或推力调节，输出所需推力。

上述脉冲阵列式姿轨控系统的每个小发动机只能一次点火，不能实现连续矢量调节，控制精度较低；多喷管燃气式姿轨控系统虽能实现连续矢量调节，且控制精度较高，但由于需调节超高温燃气系统持续供给的工质，需涉及到高温抗烧蚀、防热及高温下阀门动态调节等一系列问题，对目前材料技术和基础工业要求较高，技术难度较大。且两种喷管均为固定放置喷管，为满足俯仰、滚转与偏航的姿态调整要求，至少需要6台姿控喷管组合工作才能满足输出需求。

目前已有的飞机用可旋转矢量喷管，每个喷管通常由两套及以上液压系统或电机驱动，且包含较为复杂的连杆等连接结构组成，存在结构体积大、结构重量重，可旋转角度有限等问题，且飞机用矢量喷管工质与固体火箭发动机用工质差别较大，不能满足防空、反导和空间对抗飞行器对质量、体积及工作特性的要求，无法直接移植使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，能够通过较少的喷管实现所需推力/力矩的输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，包括喷管本体、轴承和伺服电机。

所述的伺服电机安装在固体姿轨控发动机上，输出端固连一个传动齿轮；所述的喷管本体为L型结构，一端通过轴承安装在固体姿轨控发动机机上，连通固体姿轨控发动机的燃气管路，且外壁固连有齿轮结构，与传动齿轮啮合，喷管本体在电机驱动下绕自身旋转轴转动，从而改变喷管本体的另一端在垂直于固体姿轨控发动机轴线的平面内的朝向。

所述的喷管本体与燃气管路之间采用侧面动密封结构，密封圈选用全氟化耐高温耐磨橡胶。

所述的伺服电机选用无刷直流电机。

定义飞行方向为+X向，喷管推力轴线形成的平面为YZ平面，X轴在YZ平面的投影为坐标原点O，+Y、+Z方向符合右手法则；4台喷管的旋转轴位于直径为D的分度圆内，分别位于Y轴与Z轴形成的四个象限内，且喷管布置沿Y轴对称、沿Z轴对称；定义+Y与-Z象限内的喷管为1#喷管，+Y与+Z象限内的喷管为2#喷管，-Y与+Z象限内的喷管为3#喷管，-Y与-Z象限内的喷管为4#喷管喷管；喷管旋转轴与弹体坐标原点O的连线在YZ平面的投影与+Y向的夹角为β，每台喷管输出的推力为F；俯仰控制时，1#、2#喷管喷口朝+Y向，3#喷管喷口朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则推力方向为-Y向，推力大小为2F，+Y方向推力以此类推；滚转控制时，1#喷管喷口方向与+Y轴夹角为β，3#喷管喷口方向与-Y轴夹角为β，2#喷管喷口方向朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则形成逆时针力矩，力矩大小为F×D×cosβ，顺时针力矩以此类推；偏航控制时，2#、3#喷管喷口朝+Z向，1#喷管喷口朝+Y向，4#喷管喷口朝-Y向，则推力方向为-Z向，推力大小为2F，+Z方向推力以此类推。

所述的1#、3#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°，2#、4#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°。

本发明的有益效果是：

1)所需喷管数量少，且可持续输出推力：相较于飞行器周围阵列布置的一次点火脉冲姿控喷管，能够持续输出推力；相较于可调整开关或推力大小的连续工作姿控喷管，本发明所述喷管仅需4台布置于发动机周围，即可实现所需推力/力矩的输出，且能够持续输出推力。

2)结构简单，质量轻、可靠性高：相较于常规的比例可调式姿控喷管，本发明无需复杂的高温燃气阀门来调节喷管流量，对材料技术和基础科学要求不高，且整体结构相对简单，可靠性高；相较于飞机用可旋转矢量喷管，本发明不包含较为复杂的液压传动、连杆等连接结构组成，体积小、重量轻，且能够实现全周向旋转。

3)结构形式灵活：采用本发明所述姿控喷管，最少仅需采用4个姿控喷管布置于姿轨控发动机周围，通过姿轨控喷管沿发动机的轴心的旋转组合动作，即可实现弹体机动的俯仰、滚转与偏航的姿态控制。这种概念设计积满足了姿态轨道控制要求，同时降低了发动机技术难度。

附图说明

图1为本发明的全周旋转式姿控喷管整体结构图。

图2为本发明安装于姿控发动机的俯视图。

图3为本发明安装于姿控发动机时三种典型输出模式的示意图。

图中，1-管路系统，2-小滚动轴承，3-齿轮，4-电机安装座，5-伺服电机，6-喷管本体，7-盖板，8-大滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种全周旋转式姿控喷管，与传统的飞机用可旋转矢量喷管不同，本发明所述姿控喷管无需复杂的液压系统及连杆结构等，具有体积小、结构简单、可靠性高等特点，由于姿控喷管可全周向旋转，其应用于姿轨控发动机时，最少仅需4台姿控喷管即可实现俯仰、滚转与偏航的姿态控制。

该全周旋转喷管根据需要安装于姿轨控发动机的管路系统上，包括喷管本体、滚动轴承、传动齿轮、伺服电机与连接结构；喷管本体的根部轴向外侧设计有部分齿轮结构，齿轮结构上下设计有大滚动轴承，安装于管路系统内的相应安装孔；喷管本体旁的伺服电机与小型传动齿轮之间通过键轴结构连接，该传动齿轮下方设计有小滚动轴承，与喷管组件的齿轮配合形成齿轮副；连接结构包括电机安装座与盖板，电机安装座连接伺服电机与盖板，盖板用来压紧轴承。工作时，伺服电机根据控制指令进行动作，伺服电机输出轴转动，带动与其键轴相连的齿轮转动，该齿轮结构的转动同时又带动与其配合的喷管组件的齿轮进行转动，最终驱动与其相连的喷管本体旋转。

整个姿控发动机位于环形区域内，定义坐标系如下：弹体飞行方向为+X向，喷管推力轴线形成的平面为YZ平面，X轴在YZ平面的投影为坐标原点O，+Y、+Z方向符合右手法则。

4台喷管旋转轴位于直径为D的分度圆内，分别位于Y轴与Z轴形成的四个象限内，且喷管布置沿Y轴对称、沿Z轴对称。定义+Y与-Z象限内的喷管为1#喷管，+Y与+Z象限内的喷管为2#喷管，-Y与+Z象限内的喷管为3#喷管，-Y与-Z象限内的喷管为4#喷管喷管，布置位置与喷管轴线与弹体轴线连线在YZ平面的投影与+Y向夹角为β，每台喷管输出的推力为F。

俯仰控制时，1#、2#喷管喷口朝+Y向，3#喷管喷口朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则推力方向为-Y向，推力大小为2F；+Y方向推力以此类推。

滚转控制时，1#喷管喷口方向与+Y轴夹角为β，3#喷管喷口方向与-Y轴夹角为β，2#喷管喷口方向朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则形成逆时针力矩，力矩大小为F×D×cosβ；顺时针力矩以此类推。

偏航控制时，2#、3#喷管喷口朝+Z向，1#喷管喷口朝+Y向，4#喷管喷口朝-Y向，则推力方向为-Z向，推力大小为2F；+Z方向推力以此类推。

优选的，该姿轨控发动机布置于环向包络的区域内，尤其适合弹体姿控发动机。

优选的，喷管本体与管路系统之间采用侧面动密封结构，密封圈选用全氟化耐高温耐磨橡胶。

优选的，伺服电机选用无刷直流电机。

优选的，1#、3#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°，2#、4#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°。

本发明的实施例中，所述可转动喷管安装于姿轨控发动机的管路系统上，其结构如图1所示，包括管路系统1、小滚动轴承2、齿轮3、电机安装座4、伺服电机5、喷管本体6、盖板7、大滚动轴承8；喷管本体6的根部周围外侧设计有齿轮结构，齿轮结构上下安装大滚动轴承8；伺服电机5的根部上半部分与电机安装座4通过螺纹结构连接，电机5的根部下半部分与传动齿轮3通过键轴连接，传动齿轮3下方安装小滚动轴承2，与喷管本体6根部的齿轮结构配合形成齿轮副，盖板7用来固定轴承结构，以上结构安装于管路系统1内的相应安装孔。伺服电机5进行动作时，带动与其键轴相连的齿轮转动，该齿轮结构的转动同时又带动与其相配合的喷管组件的齿轮进行转动，最终驱使与其相连的喷管本体6旋转。

本发明实施例采用4台可转动喷管，姿轨控发动机布置于包络为φ510×φ290的环形区域，4台喷管旋转轴布置于直径425的分度圆内，4台喷管旋转轴与弹体轴平行，俯视结构如图2所示。

本发明实施例中，1#、3#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取21°，2#、4#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取21°

本发明实施例中，每个喷管输出推力大小均为200N。

本发明实施例中，4台可转动喷管通过旋转角度的不同，可输出不同的姿控推力：

俯仰控制时：1#、2#喷管喷口朝+Y向，3#喷管喷口朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则推力方向为-Y向，推力大小为400N；3#、4#喷管喷口朝-Y向，1#喷管喷口朝-Z向，2#喷管喷口朝+Z向，则推力方向为+Y向，推力大小为400N。

滚转控制时，1#喷管喷口方向与+Y轴夹角为21°，3#喷管喷口方向与-Y轴夹角为21°，2#喷管喷口方向朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则形成逆时针力矩，力矩大小为79.3N·m；2#喷管喷口方向与+Y轴夹角为21°，4#喷管喷口方向与-Y轴夹角为21°，1#喷管喷口方向朝-Z向，4#喷管喷口朝+Z向，则形成顺时针力矩，力矩大小为79.3N·m。

偏航控制时，2#、3#喷管喷口朝+Z向，1#喷管喷口朝+Y向，4#喷管喷口朝-Y向，则推力方向为-Z向，推力大小为400N；1#、4#喷管喷口朝-Z向，2#喷管喷口朝+Y向，3#喷管喷口朝-Y向，则推力方向为+Z向，推力大小为400N。

典型的俯仰、滚转与偏航姿态控制时喷管动作模式如图3所示。

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 (5)

1.一种固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，包括喷管本体、轴承和伺服电机，其特征在于，所述的伺服电机安装在固体姿轨控发动机上，输出端固连一个传动齿轮；所述的喷管本体为L型结构，一端通过轴承安装在固体姿轨控发动机机上，连通固体姿轨控发动机的燃气管路，且外壁固连有齿轮结构，与传动齿轮啮合，喷管本体在电机驱动下绕自身旋转轴转动，从而改变喷管本体的另一端在垂直于固体姿轨控发动机轴线的平面内的朝向。

2.根据权利要求1所述的固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，其特征在于，所述的喷管本体与燃气管路之间采用侧面动密封结构，密封圈选用全氟化耐高温耐磨橡胶。

3.根据权利要求1所述的固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，其特征在于，所述的伺服电机选用无刷直流电机。

4.根据权利要求1所述的固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，其特征在于，定义飞行方向为+X向，喷管推力轴线形成的平面为YZ平面，X轴在YZ平面的投影为坐标原点O，+Y、+Z方向符合右手法则；4台喷管的旋转轴位于直径为D的分度圆内，分别位于Y轴与Z轴形成的四个象限内，且喷管布置沿Y轴对称、沿Z轴对称；定义+Y与-Z象限内的喷管为1#喷管，+Y与+Z象限内的喷管为2#喷管，-Y与+Z象限内的喷管为3#喷管，-Y与-Z象限内的喷管为4#喷管喷管；喷管旋转轴与弹体坐标原点O的连线在YZ平面的投影与+Y向的夹角为β，每台喷管输出的推力为F；俯仰控制时，1#、2#喷管喷口朝+Y向，3#喷管喷口朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则推力方向为-Y向，推力大小为2F，+Y方向推力以此类推；滚转控制时，1#喷管喷口方向与+Y轴夹角为β，3#喷管喷口方向与-Y轴夹角为β，2#喷管喷口方向朝+Z向，4#喷管喷口朝-Z向，则形成逆时针力矩，力矩大小为F×D×cosβ，顺时针力矩以此类推；偏航控制时，2#、3#喷管喷口朝+Z向，1#喷管喷口朝+Y向，4#喷管喷口朝-Y向，则推力方向为-Z向，推力大小为2F，+Z方向推力以此类推。

5.根据权利要求1所述的固体姿轨控发动机用全周旋转式姿控喷管，其特征在于，所述的1#、3#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°，2#、4#喷管旋转轴连线在YOZ平面的投影与Y轴夹角取20°～25°。

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