ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
重复使用火箭栅格舵传动机构动态特性实验研究
王辰1 袁文全1,3 郭岳1 张宏剑1,† 王小军2,† 石玉红1
1. 北京宇航系统工程研究所, 北京 100076; 2. 中国运载火箭技术研究院, 北京 100076; 3. 哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨 150008; † 通信作者, E-mail: zhanghj@pku.edu.cn (张宏剑), wangxj99@139.com (王小军)
摘要 为了研究栅格舵传动机构的动态特性, 搭建栅格舵传动机构的实验装置, 设计位置特性、瞬态特性和频率特性3种实验方案, 通过位移传感器, 测量伺服活塞杆的线位移和舵轴转动的角位移时域信号。分析位置特性实验线位移信号突变和瞬态特性实验角位移信号震荡现象的成因, 进行低、中、高3个频率的小转角频率特性实验, 并对频率特性实验中出现的角位移信号滞后现象进行定量分析, 判断出传动机构动态特性的重要影响因素是运动副间隙, 并初步提出其影响机理, 为进一步的动力学分析和优化设计提供良好的研究对象和实验基础。关键词 重复使用火箭; 栅格舵; 传动机构; 间隙影响中图分类号 O313; V421
一次性使用火箭的高成本和长周期制约了航天发射的商业化和市场化发展, 火箭的重复使用是降低发射成本、提高发射频率的重要途径[1–2]。全部回收或部分回收运载火箭并将其再次投入发射任
务, 能够降低航天发射的平均全寿命周期费用[3]。重复使用火箭再入返回过程中, 需利用气动控制机构[4]操纵面产生空气动力, 形成控制力和力矩, 从而对火箭的轨迹和姿态进行控制, 使火箭能够准确
地飞回陆地或海上的着陆场(图1(a))。这对重复使用火箭的落点精度和姿态控制提出很高的要求。由于栅格舵便于折叠、铰链力矩小以及大攻角、宽马赫数范围、升力特性好等特点[5], 比较适合在重复使用的火箭上应用。一套典型的栅格舵气动控制机构系统主要由栅格舵(grid fin)、栅格舵转轴(shaft)、展开阻尼器(deployable damper)、连接分离机构(connection and separation mechanism)、传动机构(transmission mechanism)和伺服作动器(servo system)等组成, 如图1(b)所示。在火箭上升段, 栅格舵紧贴箭体表面的虚线位置, 连接分离机构, 将栅格舵与箭体紧固连接, 在火箭再入阶段, 连接分离机构解锁, 栅格舵在气动力的作用下展开。为了缓解栅格舵展开到位时对结构的冲击, 需要使用展开阻尼器降低栅格舵的展开速度[6]。栅格舵展开到位后, 与栅格舵转轴固连, 传动机构的作用是将伺服系统输出的直线运动准确地转化为栅格舵的转动[7]。栅格舵能否根据控制指令准确地偏转关系着火箭的飞行稳定性和机动性等性能。机构构件之间通过运动副相连。为保证传动机构组件的顺利装配和灵活运转, 运动副间隙难以避免。研究表明, 运动副间隙是影响机构动力学特性的主要因素之一[8–9]。为研究构件弹性和运动副间隙对机构系统动力
[10]学特性的影响, Dubowsky 等 设计了一个高速机构实验系统, 使用激振器来产生正弦直线激励, 分别带动铝制和钢制的圆盘运动。通过设置在激振器托架和圆盘上的加速度传感器, 得到实验系统的输入和输出信号。Dubowsky等[11]还设计了十字滑块传动机构的实验系统, 验证了他们提出的冲击环模型。
Erkaya等[12]设计了曲柄滑块传动机构的实验系统, 在机构各关节运动副处安装力传感器, 在电机转轴处安装角位移传感器, 用于测量关节处接触力随电机转轴转动角度的变化。在曲柄和滑块上安装加速度传感器, 并使用传声器测量机构系统的振动和噪声。Flores等[13]设计了曲柄滑块机构实验系统,对不同间隙值和曲柄转速下间隙对机构动力学特性的影响进行实验和理论研究, 实验结果广泛应用于
[14–15] [16]理论分析的验证 。黄亚农等 建立了船舶舵机传动机构的缩比实验台, 在传动杆上安装4个加速度传感器, 用于测量传动机构的冲击振动。蒋政
[17]等 对一种飞行器电动舵机传动机构进行实验研究, 使用高精度数字接触式传感器测量舵面转动角度。也有学者采用实验和多体动力学方法研究运动
[18] [19]副间隙的内碰撞问题 。阎绍泽等 对含间隙运动副建模和含间隙机械系统动力学分析等问题做了系统的评述。含间隙运动副的内碰撞可以使用连续
[20] [21]接触力模型进行描述 。Lankarani等 提出具有非线性阻尼的连续接触力模型(Lankarani-nikravesh模型)来模拟含间隙运动副的内碰撞过程, 得到广
[22–23]泛应用 。对于各构件的运动发生在同一平面内的含间隙机构, Bai等[24]、wang等[25]以及farahan等[26]将其视为平面机构进行研究。尉立肖等[27]、
[28] [29] Abdallah等 和Zhang等 考虑了运动副间隙和
[30]构件柔性对机构动态特性的影响。Zheng等 和Sun等[31]研究了润滑条件下含间隙铰机构的动力学特性。
在实验研究中, 可以通过测量构件加速度的间接测量方法来评估实验系统的振动特性, 或者在关节处安装力传感器来测量接触碰撞力, 或者在机构构件上安装位移传感器来测量位置变化。评估栅格舵传动机构的动态特性, 重点在于测量评估舵轴的转动精度以及传动机构的随动性能。本文设计位置特性、瞬态特性和频率特性3种实验, 通过采集直线伺服驱动装置的线位移信号和舵轴的角位移信号, 研究传动机构的动态特性, 评估其性能指标和影响因素。
1实验设计1.1研究对象
栅格舵传动机构主要由舵轴(rudder shaft)、轴承(bearing)、关节轴承(spherical plain bearing)、摇臂(rocker)和连杆(linkage)等组成(图2)。其中, 关节
轴承Ⅱ用于连接伺服装置的活塞杆与连杆, 关节轴承Ⅰ用于连接连杆和摇臂, 舵轴在轴承Ⅰ和Ⅱ的支承下安装在箭体上。整套传动机构由液压直线伺服装置驱动, 伺服装置通过活塞杆输出直线往复运动。活塞杆通过连杆带动摇臂, 将直线运动转化为摇臂的摆动。栅格舵的舵轴通过轴销与摇臂紧固连接, 栅格舵随摇臂的摆动同步转动, 从而调整气动力, 实现火箭的姿态控制。
1.2 实验装置设计
设计图 3所示的实验系统, 舵轴在两个滚针轴承的支承下安装在支座上, 初始位置保持水平。连杆与摇臂、连杆与伺服活塞杆之间都通过关节轴承和轴销相连, 连杆初始位置是竖直的。伺服活塞杆始终保持竖直, 能够根据实验需要输出正弦、方波和阶跃等直线运动, 在活塞杆上设置线位移传感器,用于测量伺服作动器输出的直线位移, 这也是驱动传动机构运动的输入条件。与舵轴同轴安装角位移传感器(采样频率为2000 Hz), 测量舵轴转动的角度。舵轴转角的动态特性是传动机构最重要的性能表征。在舵轴与底座之间用石墨垫圈密封, 在舵轴与底座之间的转动副上产生一定的摩擦阻力矩, 实测值为20 ~ 40 N·m。
1.3 实验方案 1.3.1 传动机构运动学分析
图4是传动机构简化在二维平面内的运动简图。摇臂和连杆的初始位置如图中虚线所示, 摇臂沿X轴水平放置, 连杆沿Y轴保持竖直。连杆上关节轴承Ⅰ与Ⅱ的轴线之间距离为h, 关节轴承Ⅰ的轴线与舵轴轴线之间距离为H。由于关节轴承Ⅱ与伺服活塞杆相连, 且始终在活塞杆作用下沿竖直方向做直线运动, 所以舵轴轴线与关节轴承Ⅱ轴线之间的水平距离始终保持为H。由于传动机构中摇臂、连杆和舵轴等的材料均为合金钢, 所以自身的弹性变形较小, 可以忽略不计。
在伺服活塞杆沿竖直方向(即 Y 轴)正向行走直线行程s 后, 关节轴承Ⅰ从图4中A点运动到A′ 点,关节轴承Ⅱ从 B点运动到 B′点。设在运动结束状态关节轴承Ⅱ轴线与舵轴轴线之间连线OB′的距离为 L, L H2 ( h s)2 , OB′与水平线 OA之间的夹角为1 , OB′ 与 OA′的夹角为 , 可得
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开始先伸出, 再收缩, 做往复运动。
1) 位置特性实验。目的是测量舵轴的最大转角能否满足设计需求, 考察偏转至最大转角过程中的运动平稳性。重复使用火箭在再入飞行中通过改变舵偏角来改变作用在舵面上的气动力, 从而实现姿态控制, 栅格舵的转角范围决定火箭的姿控力调节范围。设计舵轴最大转角为±30°, 从表 1可知, 30°转角对应的线位移为34.6 mm。实验中, 令舵轴达到±30°, 并在最大转角位置停留5秒, 通过伺服作动器的控制设备, 令伺服活塞杆输出频率f = 0.02 Hz的正弦运动( s A sin(wt), A=36.6 mm, w 2 f )。当|s|>34.6 mm 时, 活塞杆保持不动。
2) 瞬态特性实验。目的是测量伺服活塞杆的最大速度以及传动机构的随动性能。在遇到较大扰动或需要进行大过载机动时, 舵面需迅速偏转较大角度, 这就要求伺服活塞杆能够高速输出较大的直线行程, 要求传动机构有较好的随动性能, 从而将活塞杆的直线驱动转化为舵轴转角。从表 1 可知, 24°转角对应的线位移为28.4 mm。通过伺服作动器的控制设备, 令伺服活塞杆输出幅值为28.4 mm的方波信号运动。
3) 频率特性实验。目的是测量舵轴在小幅往复摆动条件下的动态性能。火箭在飞行中会持续受到各个方向的微小扰动, 因此需要舵面在某一舵偏角附近不断地进行小幅度摆动, 使飞行姿态保持稳定。尤其是重复使用火箭接近着陆场时, 需要不断地微调栅格舵转角来修正火箭的姿态和轨迹, 使箭体以接近竖直的姿态准确地返回着陆平台。实验中, 设计舵轴转角为±1°, 从表 1 可知, 1°转角对应的线位移为1.22 mm。通过伺服作动器的控制设备,令伺服活塞杆输出s A sin(wt)的正弦运动, A=1.22 mm。进行低、中和高3个频率下的实验, 将角频率w设置为1, 10和30 rad/s。
2实验结果分析2.1位置特性实验
位置特性实验结果如图6所示, 伺服活塞杆的最大直线行程为34.6±0.5 mm。活塞杆线位移在达