一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统

摘要

一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统，包括仿生智能伺服机构、火箭发动机喷管和火箭舱壁；仿生智能伺服机构包括依次连接的第一智能结构单元、第二智能结构单元、第三智能结构单元、第四智能结构单元以及执行器，四个智能结构单元连接成环状结构；该环状结构的环形内缘、环形外缘分别连接于火箭发动机喷管的外侧和火箭舱壁的内侧；执行器根据火箭发动机喷管的摆动指令对各智能结构单元的协同变形进行控制，实现火箭发动机喷管全角度矢量摆动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种伺服系统，特别涉及一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统。

背景技术

通常运载火箭发动机的喷射方向改变是通过刚性、直线式伺服机构推动，伺服机构安装与舱壁和发动机之间，采用两个或四个作动器完成全周360°矢量摆动控制，主要类型为燃气液压伺服机构、电静压伺服机构、机电伺服机构。

随着技术发展，舱壁与发动机之间的安装空间越来越小，且发动机在工作过程中面临着热变形、热力耦合、变刚度的特性，对于固定常规、刚度伺服机构难以灵活适应发动机的多工况、变负载特性，安装形式也不能满足应用要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统，该机电作动器最大特点是无论“卡塞或卡滞”可强制进行故障隔离，在机电作动器的体积重量不增加基础上，实现故障后安全。

本发明的技术解决方案是：

一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统，包括：仿生智能伺服机构(1)、火箭发动机喷管(2)和火箭舱壁(5)；

仿生智能伺服机构(1)包括依次连接的第一智能结构单元(1a)、第二智能结构单元(1b)、第三智能结构单元(1c)、第四智能结构单元(1d)以及执行器，四个智能结构单元连接成环状结构；该环状结构的环形内缘、环形外缘分别连接于火箭发动机喷管(2)的外侧和火箭舱壁(5)的内侧；执行器根据火箭发动机喷管(2)的摆动指令对各智能结构单元的协同变形进行控制，实现火箭发动机喷管全角度矢量摆动。

进一步的，仿生智能伺服机构(1)的环形内缘、环形外缘有若干个智能结构单元的铰接点，环形内缘即为第四智能结构单元(1d)，环形外缘即为第一智能结构单元(1a)；环形内缘和环形外缘上的铰接点分别与火箭发动机喷管(2)外侧铰接点数量、火箭舱壁(5)的内侧铰接点数量相同，且对应安装固定，构成旋转约束。

进一步的，仿生智能伺服机构(1)由四个智能结构单元利用单元铰接点相互连接，通过串联或并联的方式构成环状结构，第一智能结构单元(1a)位于仿生智能伺服机构(1)的最外边缘，第四智能结构单元(1d)位于仿生智能伺服机构1的最外边缘的最内边缘，第一智能结构单元(1a)、第二智能结构单元(1b)、第三智能结构单元(1c)和第四智能结构单元(1d)依次排开。

进一步的，还包括第一发动机摆动支架(3)、第二发动机摆动支架(4)、燃料贮箱(6)和火箭整流罩(7)；火箭发动机喷管(2)伸出转轴与第一发动机摆动支架(3)的U形轴承座孔连接，构成一个自由度的旋转运动；

第一发动机摆动支架(3)的转轴与第二发动机摆动支架(4)的U形轴承座孔连接，构成第二个自由度的旋转运动；

火箭发动机喷管(2)、第一发动机摆动支架(3)、第二发动机摆动支架(4)共同安装于燃料贮箱(6)的机架下方；火箭舱壁(5)安装于燃料贮箱(6)的最下方；火箭整流罩(7)安装于燃料贮箱6最上方。

进一步的，第一智能结构单元(1a)、第二智能结构单元(1b)、第三智能结构单元(1c)以及第四智能结构单元(1d)均由多个基本单元组成，每个基本单元上均有若干铰接点，相邻基本单元之间通过铰接点串联或并联的方式组成环状结构；所述基本单元为三角形结构、四边形结构、空间三角体结构或者空间四方体结构。

进一步的，所述执行器为压电陶瓷执行器、纤维复合执行器、等离子执行器或者形状记忆合金执行器；执行器设置在每个基本单元上，用于接收控制指令，控制基本单元发生相应形变。

进一步的，智能结构单元的基本单元向一侧摆动时环状结构发生波浪式变化，靠近摆动方向侧，智能结构单元整体呈压缩状态，远离摆动方向侧，智能结构单元整体呈伸展状态，垂直于摆动方向侧，智能结构单元整体由压缩状态至伸展状态过渡。

进一步的，四个智能结构单元中的各铰接点之间可独立控制实现伸缩运动，铰接点之间能够承受载荷，智能结构单元整体具备多个自由度，能够根据摆动指令相应执行动作。

进一步的，仿生智能伺服机构(1)环状结构内外两侧表面覆盖柔性防热布，对发动机喷管热量进行隔绝，同时用于防水和防尘。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明基于无脊椎动物的移动原理是利用细胞的多协同控制与联动，实现“蠕动式”行进的仿生原理，考虑到航天发动机的大负载工况，考虑利用智能结构单元采用串联、并联组合方式，在发动机喷管与箭体舱壁之间形成空间曲面“波浪式”安装结构，智能结构单元的结构、机构、驱动、控制一体化特点，能够实现基本单元多点、多自由度变形，以解决火箭发动机的安装空间问题、负载自适应问题。

(2)本发明提出的一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统技术方案，能够拓展应用到运载火箭液体发动机、固体发动机等需要全方向矢量摆动的场合。

(3)本发明提出的一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统技术方案，能够拓展应用到飞行器的翼面变形控制，实现翼面多自由度连续变形。

(4)本发明提出的一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统技术方案，利用狭小安装空间安装，显著减小伺服机构的体积和重量。

(5)本发明提出的一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统技术方案，能够适应发动的热变形、热力耦合、变刚度的特性，提高对发动机不同工况的适应性，提升伺服系统智能化水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的仿生智能结构伺服系统与运载火箭的总装组成图；

图2是本发明实施例提供的仿生智能结构伺服系统“波浪式”摆动发动机示意图；

图3是本发明实施例提供的仿生智能结构伺服系统与发动机、及支架的安装示意图；

图4是本发明实施例提供的仿生智能结构伺服系统各单元铰接示意图；

图5是本发明实施例提供的智能结构单元1a、1b、1c、1d的变形状态；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出一种运载火箭发动机仿生智能结构伺服系统，包括：仿生智能伺服机构1、火箭发动机喷管2、摆动支架3、第二发动机摆动支架4、火箭舱壁5、燃料贮箱6和火箭整流罩7；

仿生智能伺服机构1包括依次连接的第一智能结构单元1a、第二智能结构单元1b、第三智能结构单元1c、第四智能结构单元1d以及执行器，四个智能结构单元连接成环状结构；该环状结构的环形内缘、环形外缘分别连接于火箭发动机喷管2的外侧和火箭舱壁5的内侧；执行器根据火箭发动机喷管2的摆动指令对各智能结构单元的协同变形进行控制，实现火箭发动机喷管全角度矢量摆动。

火箭发动机喷管2伸出转轴与第一发动机摆动支架3的U形轴承座孔连接，构成一个自由度的旋转运动；

第一发动机摆动支架3的转轴与第二发动机摆动支架4的U形轴承座孔连接，构成第二个自由度的旋转运动；

火箭发动机喷管2、第一发动机摆动支架3、第二发动机摆动支架4共同安装于燃料贮箱6的机架下方；火箭舱壁5安装于燃料贮箱6的最下方；火箭整流罩7安装于燃料贮箱6最上方。

仿生智能伺服机构1的环形内缘、环形外缘有若干个智能结构单元的铰接点，环形内缘即为第四智能结构单元1d，环形外缘即为第一智能结构单元1a；环形内缘和环形外缘上的铰接点分别与火箭发动机喷管2外侧铰接点数量、火箭舱壁5的内侧铰接点数量相同，且对应安装固定，构成旋转约束。

仿生智能伺服机构1由四个智能结构单元利用单元铰接点相互连接，通过串联或并联的方式构成环状结构，第一智能结构单元1a位于仿生智能伺服机构1的最外边缘，第四智能结构单元1d位于仿生智能伺服机构1的最外边缘的最内边缘，第一智能结构单元1a、第二智能结构单元1b、第三智能结构单元1c和第四智能结构单元1d依次排开。如图3和图4所示，四个智能结构单元组成的仿生智能伺服机构整体，类似于碗状。

第一智能结构单元1a、第二智能结构单元1b、第三智能结构单元1c以及第四智能结构单元1d均由多个基本单元组成，每个基本单元上均有若干铰接点，相邻基本单元之间通过铰接点串联或并联的方式组成环状结构；所述基本单元为三角形结构、四边形结构、空间三角体结构或者空间四方体结构。如果采用三角形结构形式，则有E、F、G、H、I种变形状态，其他结构与此类推；如图5所示。

所述执行器为压电陶瓷执行器、纤维复合执行器、等离子执行器或者形状记忆合金执行器；执行器设置在每个基本单元上，用于接收控制指令，控制基本单元发生相应形变。

如图2所示，智能结构单元的基本单元向一侧摆动时环状结构发生波浪式变化，靠近摆动方向侧，智能结构单元整体呈压缩状态，远离摆动方向侧，智能结构单元整体呈伸展状态，垂直于摆动方向侧，智能结构单元整体由压缩状态至伸展状态过渡。

四个智能结构单元中的各铰接点之间可独立控制实现伸缩运动，铰接点之间能够承受载荷，智能结构单元整体具备多个自由度，能够根据摆动指令相应执行动作。

仿生智能伺服机构1环状结构内外两侧表面覆盖柔性防热布，对发动机喷管热量进行隔绝，同时用于防水和防尘。

工作原理：

执行器根据外部输入的控制指令控制智能结构单元1a、1b、1c、1d的基本单元，使得各铰接点之间发生作动响应，从而完成发动机的摆动控制。

本发明基于无脊椎动物的移动原理是利用细胞的多协同控制与联动，实现“蠕动式”行进的仿生原理，考虑到航天发动机的大负载工况，考虑利用智能结构单元采用串联、并联组合方式，在发动机喷管与箭体舱壁之间形成空间曲面“波浪式”安装结构，智能结构单元的结构、机构、驱动、控制一体化特点，能够实现基本单元多点、多自由度变形，以解决火箭发动机的安装空间问题、负载自适应问题。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。