CN113047980A - 一种运载火箭发动机摇摆伺服装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种运载火箭发动机摇摆伺服装置，包括：摇摆轴，固定在发动机推力室轴线的两侧；滑动轴承，安装在所述摇摆轴上用于提供绕所述摇摆轴的周向运动的轴承；轴承座，中间设置圆形轴承孔用于安装所述滑动轴承；常平座，为框架结构且跨设安装在位于发动机推力室两侧的轴承座上，用于发动机摇摆时的承力支撑；伺服机构，安装在所述常平座的一侧，通过摇臂固定连接到所述摇摆轴，通过所述伺服机构的伸长或缩短带动所述摇臂绕所述摇摆轴旋转，进而带动发动机摇摆相应的角度。该伺服装置实现了通过伺服机构的运动向推力室摇摆转动的运动方式转化，同时又达到了摇摆机构的模块化设计。

Description

一种运载火箭发动机摇摆伺服装置
技术领域
本发明涉及运载火箭的箭体结构领域，具体涉及一种运载火箭发动机摇摆伺服装置。
背景技术
运载火箭发动机摇摆机构作为火箭发动机的重要组成部分，用于实现火箭发动机推力室摇摆及火箭弹道精确控制。传统发动机摇摆机构采用旋转式的运动驱动方式带动推力室摇摆，驱动方式单一且不具备模块化的功能。
鉴于此，亟需设计一种高可靠性且具备模块化功能的运载火箭发动机摇摆伺服装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种运载火箭发动机摇摆伺服装置。
本发明提供一种运载火箭发动机摇摆伺服装置，包括：摇摆轴，固定在发动机推力室轴线的两侧；滑动轴承，安装在所述摇摆轴上用于提供绕所述摇摆轴的周向运动的轴承；轴承座，中间设置轴承孔用于安装所述滑动轴承；常平座，为框架结构且跨设安装在位于发动机推力室两侧的轴承座上，用于发动机摇摆时的承力支撑；伺服机构，安装在所述常平座的一侧，通过摇臂连接到所述摇摆轴，通过所述伺服机构的伸长或缩短带动所述摇臂绕所述摇摆轴旋转，进而带动发动机摇摆相应的角度。
根据本发明的一个实施例，所述摇摆轴通过机械加工固定在推力室的圆柱段。
根据本发明的一个实施例，所述摇摆轴横向上分为第一轴段和第二轴段，所述第一轴段靠近推力室为圆柱体用于安装所述滑动轴承，所述第二轴段远离推力室为上下平行的半圆柱体用于安装所述摇臂。
根据本发明的一个实施例，所述轴承座上的轴承孔采用整体机械加工成型。
根据本发明的一个实施例，所述轴承座纵向上分为第一连接板和第二连接板，轴承孔设置在所述第二连接板上，且所述第二连接板的长度小于第一连接板的长度。
根据本发明的一个实施例，所述常平座为“门”字形框架结构且通过所述轴承座跨设在发动机推力室两侧的摇摆轴上，其上端面设置有四个安装支耳，每个所述安装支耳设置对接孔用于与机架对接。
根据本发明的一个实施例，所述常平座的上端面为倾斜的，以适应被固定面的斜度保证所述发动机为垂直状态。
根据本发明的一个实施例，所述伺服机构分为直线伺服电机、作动杆，所述作动杆的一端连接所述摇臂外侧，所述作动杆在所述直线伺服电机的控制下伸长或缩短，以带动发动机推力室双向摆动。
根据本发明的一个实施例，所述直线伺服电机的一端设置为上支点轴承，所述作动杆的一端设置下支点轴承，所述上支点轴承连接到所述常平座上，所述下支点轴承连接到所述摇臂的一端。
根据本发明的一个实施例，还包括：上支架，安装在所述常平座的一侧；下支架，安装在推力室的扩张段上，所述上支架与所述下支架同侧设置；两根第一管路，安装在所述上支架和所述下支架之间且具有弯曲性能，所述第一管路的进出口的至少之一设有静密封结构；两根第二管路，从所述第一管路出口安装至推力室入口。
本发明提供的运载火箭发动机摇摆伺服装置通过将伺服机构与摇摆轴、滑动轴承、轴承座以及常平座组合起来，实现了通过伺服机构的运动向推力室摇摆转动的运动方式转化，同时又达到了摇摆机构的模块化设计。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明发明的原理。
图1是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的示意图；
图2是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的摇摆轴的示意图；
图3是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的轴承座的示意图；
图4是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的常平座的示意图；
图5是本发明再一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的常平座的示意图；
图6是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的伺服机构的示意图；
图7是本发明另一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的示意图；
图8是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的摇臂的示意图。
附图标记说明：
100-摇摆轴，101-第一轴段，102-第二轴段，200-轴承座，201-圆形轴承孔，202-第一连接板，203-第二连接板，300-常平座，301-第一安装孔，302-第二安装孔，303-支耳，400-摇臂，500-伺服机构，501-直线伺服电机，502-作动杆，601-上支架，602-下支架，603-第一管路，604-第二管路。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。
对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
图1是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的示意图；图2是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的摇摆轴的示意图；图3是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的轴承座的示意图；图4是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的常平座的示意图；图5是本发明再一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的常平座的示意图；图6是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的伺服机构的示意图；图7是本发明另一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的示意图；图8是本发明一个实施例的运载火箭发动机摇摆伺服装置的摇臂的示意图。
如图1所示，本发明提供一种运载火箭发动机摇摆伺服装置，包括：摇摆轴100，固定在发动机推力室T轴线的两侧；滑动轴承，安装在摇摆轴100上用于提供绕摇摆轴100的周向运动的轴承；轴承座200，中间设置圆形轴承孔201用于安装滑动轴承；常平座300，为框架结构且跨设安装在位于发动机推力室T两侧的轴承座200上，用于发动机摇摆时的承力支撑；伺服机构500，安装在常平座300的一侧，通过摇臂400固定连接到摇摆轴100，通过伺服机构500的伸长或缩短带动摇臂400绕摇摆轴100旋转，进而带动发动机摇摆相应的角度。
具体地，运载火箭发动机摇摆支撑装置的摇摆轴100位于运载火箭推力室T的两侧。为了增加两侧摇摆轴100的同轴度，提高推力室T在摇摆时的平稳性，摇摆轴100通过加工中心一次定位固定到推力室T两端。将滑动轴承安装在摇摆轴100上，滑动轴承能够提供绕摇摆轴100周向的运动，从而带动推力室T进行摇摆。轴承座200作为连接滑动轴承和常平座300的中间件，设置有圆形的轴承孔用于安装滑动轴承，还需要设置安装孔用于安装常平座300。常平座300为框架结构且跨设安装在发动机推力室T两侧的轴承座200，在发动机摇摆时常平座300能够保持固定不动，常平座300与运载火箭中的机架连接以维持发动机摇摆时力的平衡。
其中，伺服机构500安装在常平座300的一侧，通过摇臂400固定连接到摇摆轴100。当需要推力室T摇摆时，向伺服机构500通电，伺服机构500在不同大小和方向的驱动电流作用下伸长或缩短，带动摇臂400绕摇摆轴100旋转，进而带动发动机摇摆相应的角度；通过维持不同的伺服驱动电流大小，并能在最大行程范围内任意位置锁定，实现推力室T摇摆角度锁定。
在本实施例中，通过使用摇臂400，摇摆伺服装置能够以常平座300为主安装结构，其余零组件直接或间接安装于常平座300上，实现了摇摆伺服装置模块化设计。摇摆伺服装置装配完成后，只需通过常平座300顶部安装孔即可完成与发动机机架的连接固定。推力室T摇摆轴100位于推力室T两侧，摇摆机构总装时将推力室T摇摆轴100装配于常平座300轴承孔内。摇摆伺服装置装配完成后，推力室T处于零位。
本发明通过安装摇臂400，既达到了伺服机构500直线运动向推力室T摇摆转动的转化，又实现了摇摆伺服装置的模块化设计，为发动机推力室T摇摆功能实现提出了全新的方案。
根据本发明的一个实施例，摇摆轴100通过机械加工固定在推力室T的圆柱段。
具体地，运载火箭发动机的推力室T大致分为圆柱段、收敛段和扩张段，将摇摆轴100通过机械加工固定在推力室T的圆柱段，从而常平座300的顶部架设在推力室T圆柱段上方，从而常平座的顶部和两侧共同形成对推力室T头部的包绕。
如图2所示，根据本发明的一个实施例，摇摆轴100横向(长度方向)上分为第一轴段101和第二轴段102，第一轴段101靠近推力室T为圆柱体用于安装滑动轴承，第二轴段102远离推力室T为上下平行的半圆柱体用于安装摇臂400。
具体地，由于常平座300通过滑动轴承可转动连接到摇摆轴100上，伺服机构500通过摇臂400固定安装在摇摆轴100上，需要将摇摆轴100分为两部分分别进行安装。如上所述，例如，摇摆轴100在横向上分为第一轴段101和第二轴段102，其中第一轴段101和第二轴段102为一体成型，第一轴段101靠近推力室T，第二轴段102远离推力室T。滑动轴承的内圈为圆形，将第一轴段101设置成圆柱体，便于滑动轴承的安装。如图8所示，摇臂400的一端设有圆形孔，用于连接到所述下支点轴承；另一端为上下平行的半圆形孔，用于连接到所述第二轴段102。第二轴段102设置成上下平行的半圆柱体，可以方便摇臂400的安装。在保证摇臂400刚度的前提下，为了尽量降低摇臂400重量，在摇臂400上设计减重槽J，减重槽J的个数根据摇臂400的具体形状选择。在本实施例中减重槽J设置成不贯穿摇臂400的设计(如图8中对摇臂400中B-B的剖视图所示)。根据本发明的一个实施例，轴承座200上的轴承孔采用整体机械加工成型。
具体地，运载火箭发动机的推力室T大致分为圆柱段、收敛段和扩张段。摇摆轴100通过机械加工固定在推力室T的圆柱段，从而常平座300的顶部架设在推力室T圆柱段上方，常平座300的顶部和侧部共同实现对推力室T头部的包绕。
如图3所示，根据本发明的一个实施例，轴承座200纵向上分为第一连接板202和第二连接板203，轴承孔设置在第二连接板203上，且第二连接板203的长度小于第一连接板202的长度。
具体地，轴承座200在其纵向上(如图3所示的S1箭头方向)分为第一连接板202和第二连接板203，第一连接板202和第二连接板203是一体成型。例如，第一连接板202的一个主表面用于与常平座300的安装端面贴合，第二连接板203的侧面大致垂直地设置在另一个主表面。第一连接板202上端面(即上述一个主表面)设置安装孔用于与常平座300连接。轴承孔贯穿设置在第二连接板203的侧面，且第二连接板203的长度小于第一连接板202的长度，且第二连接板203的长度大于轴承孔的直径，保证圆形轴承孔201的完整度。
如图4所示，根据本发明的一个实施例，常平座300为“门”字形框架结构且通过轴承座200跨设在发动机推力室T两侧的摇摆轴100上，其上端面设置有四个安装支耳303，每个安装支耳303设置对接孔用于与机架对接。
具体地，常平座300设置成“门”字形框架结构能够跨设在推力室T两侧，在常平座300上端面设置安装孔实现与机架对接。为了使安装更便捷，在上端面设置有四个安装支耳303，在每个安装支耳303设置安装孔；常平座300下端面设置安装孔实现与轴承座200的连接。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，常平座300的下端面有两个支腿，每个支腿设置两个第一安装孔301，轴承座200的第一连接板202上端面对应设置两个第二安装孔302适应常平座300每个支腿的第一安装孔301，常平座300与轴承座200通过定位销***对应的第一安装孔301、第二安装孔302彼此固定。
具体地，定位销一端为安装六方，另一端为外螺纹，中间部分为圆柱段。定位销的圆柱段与常平座300的第一安装孔301和轴承座200的第二安装孔302装配，为了尽量提高装配精度，将定位销的圆柱段与常平座300的第一安装孔301和轴承座200的第二安装孔302设计为精密的间隙配合。定位销装入常平座300和轴承座200的第一安装孔301和第二安装孔302后，在定位销外螺纹段安装自锁螺母，实现常平座300与轴承座200的可靠固定。
根据本发明的一个实施例，常平座300的上端面为倾斜的，以适应被固定面的斜度保证发动机为垂直状态。
具体地，由于运载火箭中的机架同时安装多个发动机，为了保持力的平衡，机架即发动机摇摆支撑装置的被固定面，设置成沿着中心轴向着四周向下倾斜，常平座300安装在倾斜的机架上需要按照该倾斜角度将常平座300的上端面相应设置成相同角度的倾斜面，保证在未工作状态下的发动机为垂直状态。
如图6所示，根据本发明的一个实施例，伺服机构500分为直线伺服电机501、作动杆502。作动杆502的一端连接摇臂400外侧，作动杆502在直线伺服电机501的控制下伸长或缩短，以带动发动机推力室T双向摆动。
具体地，伺服机构500中的直线伺服电机501用于提供动力，沿着直线伺服电机501进行直线方向施力。作动杆502作为直线伺服电机501的承力对象，能够在驱动电流的大小和方向的不同控制下伸长或缩短，从而带动发动机推力室T实现双向不同角度的摆动。当需要推力室T摇摆时，向直伺服电机发送动作信号，直线伺服电机501在电流作用下控制作动杆502伸长或缩短进而推动摇臂400，摇臂400带动推力室T实现双向摇摆。
根据本发明的一个实施例，直线伺服电机501的一端设置为上支点轴承，作动杆502的一端设置下支点轴承，上支点轴承连接到常平座300上，下支点轴承连接到摇臂400的一端。
具体地，由于直线伺服电机501和作动杆502连接在一起进行力的传输，可以在直线伺服电机501的一端设置上支点轴承。在作动杆502的一端设置下支点轴承，用于将伺服机构500固定连接。其中，上支点轴承固定于常平座300上，下支点轴承通过销轴与摇臂400一端连接，摇臂400的另一端与摇摆轴100固定连接。
如图7所示，根据本发明的一个实施例，还包括：上支架601，安装在常平座300的一侧；下支架602，安装在推力室T的扩张段上，上支架601与下支架602同侧设置。两根第一管路603，安装在上支架601和下支架602之间且具有弯曲性能，第一管路603的进出口的至少之一设有静密封结构。两根第二管路604，从第一管路603出口安装至推力室T入口。
具体地，运载火箭发动机的推力室T大致分为圆柱段、收敛段和扩张段。常平座300的顶部架设在推力室T圆柱段上方，与侧部共同形成对推力室T头部的绕，实现发动机摇摆时的承力支撑架构。上支架601固定安装在常平座300的一侧，下支架602固定安装在推力室T的扩张段，上支架601和下支架602设置在同一侧。将两根第一管路603并列安装在上支架601与下支架602之间，由于发动机推力室T摇摆时上支架601保持不动，下支架602随着推力室T摇摆而移动，第一管路603需要设置成具有弯曲性能的管道。此外，第一管路603的进出口至少之一采用静密封结构，保证发动机摇摆时管路***中的推进剂***露。从第一管路603出口出来的推进剂将通过第二管路604进入到推力室T的入口，从而实现推进剂从第一管路603向推力室T的输送。
在本实施例中，发动机推力室T在摇摆过程中第一管路603只有角度偏转，没有长度的伸缩，能够保证第一管路603处于良好的工作状态。第一管路603的进出口可采用可靠的静密封结构，保证发动机工作过程中推进剂不发生泄漏。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，包括：
摇摆轴，固定在发动机推力室轴线的两侧；
滑动轴承，安装在所述摇摆轴上用于提供绕所述摇摆轴周向运动的轴承；
轴承座，中间设置轴承孔用于安装所述滑动轴承；
常平座，为框架结构且跨设安装在位于发动机推力室两侧的轴承座上，用于发动机摇摆时的承力支撑；
伺服机构，安装在所述常平座的一侧，通过摇臂连接到所述摇摆轴，通过所述伺服机构的伸长或缩短带动所述摇臂绕所述摇摆轴旋转，进而带动发动机摇摆相应的角度。
2.根据权利要求1所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述摇摆轴通过机械加工固定在推力室的圆柱段。
3.根据权利要求2所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述摇摆轴横向上分为第一轴段和第二轴段，所述第一轴段靠近推力室为圆柱体用于安装所述滑动轴承，所述第二轴段远离推力室为上下平行的半圆柱体用于安装所述摇臂。
4.根据权利要求1所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述轴承座上的轴承孔采用整体机械加工成型。
5.根据权利要求4所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述轴承座纵向上分为第一连接板和第二连接板，轴承孔设置在所述第二连接板上，且所述第二连接板的长度小于第一连接板的长度。
6.根据权利要求5所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述常平座为“门”字形框架结构且通过所述轴承座跨设在发动机推力室两侧的摇摆轴上，其上端面设置有四个安装支耳，每个所述安装支耳设置对接孔用于与机架对接。
7.根据权利要求6所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述常平座的上端面为倾斜的，以适应被固定面的斜度保证所述发动机为垂直状态。
8.根据权利要求3所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述伺服机构分为直线伺服电机、作动杆，所述作动杆的一端连接所述摇臂外侧，所述作动杆在所述直线伺服电机的控制下伸长或缩短，以带动发动机推力室双向摆动。
9.根据权利要求8所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，所述直线伺服电机的一端设置为上支点轴承，所述作动杆的一端设置下支点轴承，所述上支点轴承连接到所述常平座上，所述下支点轴承连接到所述摇臂的一端。
10.根据权利要求1所述的运载火箭发动机摇摆伺服装置，其特征在于，还包括：
上支架，安装在所述常平座的一侧；
下支架，安装在推力室的扩张段上，所述上支架与所述下支架同侧设置；
两根第一管路，安装在所述上支架和所述下支架之间且具有弯曲性能，所述第一管路的进出口的至少之一设有静密封结构；
两根第二管路，从所述第一管路出口安装至推力室入口。
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