火箭发动机推力矢量技术

基于机电伺服技术的固体火箭发动机球窝喷管限位技术研究作者：史晨虹陈晨徐志书杨金鹏潘龙来源：《机电信息》2020年第03期摘要：對采用机电伺服技术作为执行机构的固体火箭发动机球窝喷管的控制特性进行了研究，针对球窝喷管的技术特点，分析了球窝喷管的不同限位措施及其对系统整体特性的影响。

关键词：球窝喷管;机电伺服;推力矢量控制;限位0 引言球窝喷管作为当前应用广泛的先进矢量喷管之一（注：其他典型矢量控制技术包括柔性喷管及珠承喷管等），具有重量轻、结构简单、寿命长、可检测，环境适应性强（贮存、运输、冲击、振动、宽温度条件使用），轴向位移、摆心偏移小，利于精确控制，可逐台进行冷态高压性能检测，易于实现实物冷态仿真等优点[1]。

由于球窝喷管自身不具备零位附近锁定限位的能力，因此必须在系统设计中采取相应的措施，以实现喷管在运输等环节的零位附近锁定限位，避免发生喷管活动体因受重力影响，扩张段自然下垂造成的结构碰撞。

本文综合研究了采用机电伺服系统作为推力矢量控制执行机构的球窝喷管的不同零位限位措施的技术特点，分析了采用不同限位措施对系统整体特性的影响。

1 系统组成固体运载火箭推力矢量控制通常采用单喷管设计方案实现火箭的俯仰、偏航姿态控制，辅以栅格舵、全动舵或其他控制装置实现火箭的滚转姿态控制。

随着控制技术的不断进步，系统产品逐渐向紧凑型、集成化方向发展，基于机电伺服技术的球窝喷管推力矢量控制系统包括一套固体火箭发动机球窝喷管、两台机电作动器、一台伺服控制驱动器、一台伺服动力电源和一套伺服电缆网。

系统连接关系如图1所示。

2 球窝喷管的技术特点2.1 球窝喷管的结构组成与力矩特性球窝喷管是一种机械式全轴摆动的固体发动机喷管，包含固定体、活动体和球窝接头三个主要部分。

固定体采用金属法兰盘与发动机后封头相连接;活动体以互成90°的两个下支耳与伺服作动器相连接，在伺服作动器的作用下，依靠球窝接头阴、阳球面之间的滑动摩擦实现全轴摆动。

机械工程在航空航天领域的应用航空航天领域一直是人类探索未知、追求进步的前沿阵地，而机械工程在其中发挥着举足轻重的作用。

从飞行器的设计制造到太空探索的各项任务，机械工程的技术和理念贯穿始终。

在飞行器的设计与制造过程中，机械工程的应用可谓是无所不在。

首先，结构设计是关键环节之一。

飞机和航天器需要具备高强度、轻量化的结构，以承受飞行中的各种载荷和极端环境。

机械工程师运用先进的材料科学和力学知识，设计出既坚固又轻巧的机体结构。

例如，采用碳纤维复合材料、钛合金等高性能材料，通过优化结构布局和形状，实现减重的同时保证足够的强度和刚度。

发动机是飞行器的核心部件，机械工程在这方面也有着重要贡献。

航空发动机内部的复杂结构和精密零部件，如涡轮叶片、压气机轮盘等，都需要经过精心设计和制造。

机械工程师运用流体力学、热力学等原理，优化发动机的燃烧过程、提高燃油效率，并确保其在高温、高压等恶劣条件下稳定运行。

同时，对于航天器的推进系统，如火箭发动机，机械工程也参与其中，从燃料喷射系统到推力矢量控制，都离不开机械工程的技术支持。

机械制造工艺在航空航天领域的要求极高。

为了保证零部件的精度和质量，常常采用先进的制造技术，如数控加工、电火花加工、激光加工等。

这些技术能够实现复杂形状的精确加工，满足飞行器对零部件高精度、高一致性的要求。

而且，在装配过程中，也需要严格的工艺控制和检测手段，以确保各个部件的配合精度和整体性能。

飞行控制系统是保障飞行器安全稳定飞行的关键，其中也包含了机械工程的元素。

例如，舵面的驱动机构、作动器等机械部件，需要具备快速响应、高精度控制的能力。

机械工程师通过设计合理的机械传动系统和执行机构，与电子控制系统协同工作，实现飞行器的姿态调整和航线控制。

在太空探索任务中，机械工程同样发挥着重要作用。

太空机器人的研发就是一个典型例子。

这些机器人需要具备灵活的关节运动、精确的操作能力，以便在太空环境中完成各种任务，如卫星维修、空间站建设等。

上海空间推进研究所上海空间推进研究所，简称上海空推所，是我国的一家专门研究航天推进技术的研究所。

成立于1958年，前身为中国空气动力研究所，是我国最早专门从事推进技术研究的单位之一。

1972年更名为上海空间推进研究所，专门负责研究航天器的推进系统。

上海空推所位于上海市松江区，占地面积约1200亩，拥有一流的科研设施和现代化的实验室。

研究所的主要研究方向包括火箭发动机、卫星推进系统、航天器姿态控制、推进系统控制和测试等多个领域。

所内拥有一大批高素质、高水平的科研人员，包括博士、硕士和工程师等。

在火箭发动机方面，上海空推所拥有丰富的研究经验和技术实力。

他们研发出了我国第一款液体燃料火箭发动机，推动了我国航天事业的发展。

目前，他们正在研究和开发新型的绿色推进剂和大型涡轮泵等关键技术，努力提升火箭的性能和可靠性。

在卫星推进系统方面，上海空推所致力于研发先进的推进系统和控制技术。

他们开发了多台小型卫星用的电推进系统，成功地应用在一些重要的卫星任务中。

同时，研究所还在开展新型推进系统的研究，如电磁推进系统和离子推进系统等，为我国卫星发展做出了积极贡献。

在航天器姿态控制方面，上海空推所积极开展研究，不断提升航天器的控制精度和稳定性。

他们研发了多种姿态控制器和推进系统，并成功应用在载人航天等重要任务中。

此外，研究所还在推力矢量控制等方面进行了深入研究，为我国航天器的姿态控制提供了技术支持。

推进系统控制和测试是上海空推所的另一个研究重点。

他们开发了一套先进的推进系统控制系统和测试设备，能够对火箭发动机和卫星推进系统进行精确控制和全面测试。

研究所还与其他航天研究机构和企业进行合作，共同开展推进系统的控制和测试方面的研究。

总之，上海空间推进研究所是我国航天推进技术的重要研究机构之一，他们在火箭发动机、卫星推进系统、航天器姿态控制、推进系统控制和测试等方面取得了卓越的成就。

通过持续不断的研究和创新，他们不仅为我国的航天事业做出了重要贡献，同时也为全球的航天技术发展做出了积极的贡献。

第一章1.什么是航空？什么是航天？航空与航天有何联系？答：航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动，必须具备空气介质；航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇宙航行；航天不同于航空，航天器是在极高的真空宇宙空间以类似于自然天体的运动规律飞行。

但航天器的发射和回收都要经过大气层，这就使航空航天之间颤声了必然的联系。

尤其是水平降落的航天飞机和研究中的水平起降的空天飞机，它们的起飞和着陆过程与飞机的非常相似，兼有航空和航天的特点。

航空航天一词，既蕴藏了进行航空航天活动必须的科学，又饱含了研制航空航天飞行器所涉及的各种技术。

从科学技术的角度看，航空与航天之间是紧密联系的。

2.航空器是怎么分类的？各类航空器又如何细分？航空器在空中的飞行必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。

根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于(或等于)同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类；轻于空气的航空器包括气球和飞艇，它们是早期出现的航空器。

重于空气的航空器有固定翼航空器、旋翼航空器、扑翼机和倾转旋翼机。

固定翼航空器又分为飞机和滑翔机。

旋翼航空器又分为直升机和旋翼机3.航天器是怎么分类的？各类航天器又如何细分？1航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器，航天器分为无人航天器和载人航天器；2无人航天器可分为空间探测器和人造地球卫星，人造地球卫星按照卫星的用途，可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。

空间探测器又可分为月球探测器、行星和行星际探测器载人航天器可分为载人飞船、空间站、航天飞机和空天飞机。

4.战斗机是如何分代的？各代战斗机的的典型技术特征是什么？从上世纪四十年代中期出现了以喷气式发动机为动力的战斗机出现后，按时代特别按其技术水平将各种战斗机分为了三代，目前正在发展第四代战斗机。

第一代超音速战斗机其中的典型型号有美国的F-100和苏联的米格-19。

矢量发动机半实物冷流仿真试验系统研究兰宝刚;闫磊【摘要】介绍了一种基于万向挠性件的矢量发动机多分力冷流试验台，并应用于某燃气舵矢量控制发动机的半实物仿真试验。

冷流多分力试验台以万向挠性件为转动支点，其余3个分力采用挠性杆，降低了各分力间的耦合强度并提供了多分力测量所需的自由度。

进气结构采用水平对称进气方式，利用金属波纹管的挠性，减小进气管道对多分力测量精准度的影响。

相比于热试车，冷流试验方法能够在同一工况下多次试验，并能多次验证发动机矢量控制策略，且试验成本小。

通过某发动机的冷流多分力半实物仿真试验，解决了系统二次平衡干扰问题，试验数据表明该多分力试验系统提高了分力测量精度，能够满足试验要求。

%This paper introduces a kind of thrust-vector motor multi-component cold flow test system based on universal flexible part,and a semi-physical simulation test applied on ET vane thrust-vector motor.With universal flexible part as rotation fulcrum,the rest three component forces adopt flexibleshaft,which brings down coupling strength and provides required degree of freedom.Horizontal symmetrical intake structure and metal bellows reduce the measurement accuracy of the multi-component due to gas-intake pared with firing test,the cold flow test can be performed several times under one condition,and have thrust-vector control scheme testified repeatedly with low cost.The semi-physical simulation test solves the twice balance interference problem of the system.The test system is proved to be reasonable and practical.【期刊名称】《金陵科技学院学报》【年(卷),期】2016(032)003【总页数】4页(P23-26)【关键词】多分力;冷流试验台;耦合;矢量推力;仿真【作者】兰宝刚;闫磊【作者单位】中国航天科技集团公司第四研究院401 所，陕西西安 710025;中国航天科技集团公司第四研究院401 所，陕西西安 710025【正文语种】中文【中图分类】V43随着固体火箭矢量推力发动机的广泛应用，发动机矢量推力的精确测量对控制飞行器运行姿态具有重要意义。

简述火箭推进原理,并推导出齐奥尔
科夫斯基公式
火箭推进原理是一种应用物理原理的技术，可利用物理原理实现对火箭的推进
动力。

这种技术利用推进火箭的本质是物理原理，即利用火箭大量喷出速度极高的物体，以使火箭被向后推进器的推力作用而受到推动。

据物理学家齐奥尔科夫斯基尔所提出的齐奥尔科夫斯基之公式（Tsiolkovsky Formula）表明，火箭受动力时，其速度增长加速度也会加大，即可由公式
$v=u+at$推导出，其中$v$表示速度、$u$表示初速度、$a$表示加速度，以及$t$表示受动的时间间隔。

因此，火箭的推进力可以有效的利用上述公式中的几个参数实现推进力的增强。

此外，火箭推进机可以根据环境及其他外界因素，调整输出质量及煤油种类，
充分利用反推力、导弹爆炸动力及磁轨推力，大大增强火箭受动力的效果，使火箭受到更大的后坐力及推力，实现运载任务。

与此同时，利用火箭轨道变换技术，实现火箭自身调整运行轨道，实现完成任务的目的。

总的来说，火箭推进原理的基础是物理学家齐奥尔科夫斯基之公式，即
$v=u+at$，根据此一公式实现火箭的推进力的增强，实现比一般运动体受动力更快、更强的效果，实现运载任务的目的，从而可完成航天任务。

火箭垂直回收多阶段最优轨迹规划方法邵楠; 闫晓东【期刊名称】《《宇航学报》》【年(卷),期】2019(040)010【总页数】10页(P1187-1196)【关键词】垂直着陆; 凸优化; 二阶锥规划; 伪谱离散; 多阶段轨迹优化【作者】邵楠; 闫晓东【作者单位】西北工业大学航天学院西安710072【正文语种】中文【中图分类】V448.10 引言火箭从高空返回并垂直定点着陆回收是火箭重复使用的一种重要方式。

对于火箭垂直回收任务而言，回收过程不仅要进行减速并精确着陆，还要满足返回过程中各种过程约束，此外还要使得燃料消耗最小。

由于火箭回收的初始高度比较高，一般而言，整个返回弹道可以分为三段：动力减速段、气动减速段和动力着陆段。

动力减速段为使火箭动压降低至满足栅格舵工作条件的状态；气动减速段对射程起到调制作用，并尽可能地利用气动力降低终端位置误差；动力着陆段需要满足位置、速度、姿态等终端约束实现定点垂直着陆。

由于火箭回收制导任务的复杂性，满足多约束条件并具有快速收敛特性的制导算法一直是众多学者研究的方向。

文献[1-3]提出了一种凸规划算法，用于求解火星精确着陆相关的最小燃料动力下降制导问题。

他们提出“无损凸化”的概念，使得非凸控制约束的轨迹优化问题转化为一个有限维二阶锥规划问题，并在该问题的基础上进一步引入推力指向约束，使改进的动力降落制导算法对推力约束和推力指向约束都产生了无损凸化。

该方法忽略了气动力的作用，通过线性搜索步骤确定终端时刻，无需迭代即可算出最优解[4-6]。

然而其固定的终端时刻，无法保证开机-终端时刻组合的最优性。

文献[7-8]进一步提出了一种以燃料最优为指标的动力着陆问题的逐次凸化算法并给出了逐次凸化的证明。

在该算法中，引入了气动阻力和包括自由终端时间在内的各种非凸约束，通过逐次凸化、逐次线性化虽然增大了计算量，但是能够解决更复杂的约束情况[9-11]。

王劲博等[10]针对火箭动力定点垂直着陆提出一种高精度快速轨迹优化算法，算法将凸化技术与伪谱离散方法有机结合，将非凸、非线性优化问题转化为凸优化问题，进而充分利用凸优化的求解快速性、收敛确定性以及伪谱法离散精度高的特点，实现了考虑阻力的两阶段轨迹优化。

火箭工作原理火箭是一种利用推进剂的喷射力产生反作用力，从而实现推进的载具。

它是现代航空航天领域不可或缺的重要工具，广泛应用于航天探索、卫星发射、载人航天等领域。

本文将详细介绍火箭的工作原理。

一、火箭的基本构造火箭通常由推进剂、容器、发动机和控制系统组成。

推进剂是产生高温和高压气体的化学混合物，容器用于储存推进剂，发动机是将推进剂转化为动能的关键部件，控制系统则负责调节火箭的运行轨迹和姿态。

二、推进剂的燃烧火箭的推进剂通常采用液体推进剂或固体推进剂。

液体推进剂由氧化剂和燃料按一定比例混合而成，而固体推进剂则是将氧化剂和燃料混合后固化而成。

当推进剂被点火后，燃料和氧化剂会快速反应产生大量高温和高压气体。

三、火箭发动机的工作原理火箭发动机是将推进剂的化学能转化为动能的装置。

根据工作原理的不同，火箭发动机可分为喷气式发动机和喷气推进式发动机两种。

1. 喷气式发动机喷气式发动机通过燃烧推进剂产生的高温高压气体喷出，利用质量守恒和动量守恒定律产生反作用力。

喷气式发动机包括涡喷发动机、涡轮风扇发动机等。

涡喷发动机通过将燃料和氧化剂混合后点火，造成压力上升，从而使混合气体高速喷射产生推力，推动火箭前进。

2. 喷气推进式发动机喷气推进式发动机利用推进剂燃烧产生的高温高压气体，在喷嘴的限制下迅速加速喷出，以产生反作用力。

常见的喷气推进式发动机有固体火箭发动机和液体火箭发动机。

固体火箭发动机是将固体推进剂点燃后，喷出高速气体产生推力；而液体火箭发动机通过将液体推进剂送入燃烧室，再经过燃烧喷射，产生推力。

四、火箭的控制系统火箭的控制系统主要包括姿态控制和运动控制两个方面。

姿态控制通过火箭上的推力矢量控制装置对火箭的运动方向和姿态进行调整，确保其在运行过程中保持稳定的轨迹。

运动控制则是通过对火箭的速度和加速度进行调节，确保火箭能够按照既定轨迹运行或到达目标空间。

控制系统通常由计算机和传感器组成，可以实现精确的控制。

五、火箭工作原理的应用火箭工作原理的应用非常广泛。

世界上推⼒最⼤的飞机发动机 作为⽬前世界上最快的交通⼯具-飞机，我们的印象是能飞很快，那么世界上它的发动机推⼒最⼤是多少呢?下⾯是店铺为您收集整理的⽂章 世界上推⼒最⼤的飞机发动机 飞机，是指由动⼒装置产⽣前进的推⼒或拉⼒，由机⾝的固定机翼产⽣升⼒，在⼤⽓层内飞⾏的重于空⽓的航空器。

它是固定翼航空器的⼀种，也是最常见的⼀种，另⼀种固定翼航空器是滑翔机。

飞机按照其使⽤的发动机类型⼜可被分为喷⽓飞机和螺旋桨飞机。

20世纪初，美国的莱特兄弟在世界的飞机发展史上做出了重⼤的贡献。

在1903年制造出了第⼀架依靠⾃⾝动⼒进⾏载⼈飞⾏的飞机“飞⾏者”1号，并且获得试飞成功。

他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。

同年，他们创办了“莱特飞机公司”。

⾃从飞机发明以后，飞机⽇益成为现代⽂明不可缺少的运载⼯具。

它深刻的改变和影响着⼈们的⽣活。

⼤多数飞机由五个主要部分组成：机翼、机⾝、尾翼、起落装置和动⼒装置。

机翼 机翼的主要功⽤是为飞机提供升⼒，以⽀持飞机在空中飞⾏，也起⼀定的稳定和操纵作⽤。

在机翼上⼀般安装有副翼和襟翼。

操纵副翼可使飞机滚转;放下襟翼能使机翼升⼒系数增⼤。

另外，机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。

机翼有各种形状，数⽬也有不同。

在航空技术不发达的早期为了提供更⼤的升⼒，飞机以双翼机甚⾄多翼机为主，但现代飞机⼀般是单翼机。

在机翼设计的过程当中，经常提到的⼀个⽭盾是飞机的稳定性和操作性两个⽅⾯，上单翼飞机好像提起来的塑料袋，他⾮常的稳定，但是操作性稍微差⼀点;下单翼飞机好像托起来的花瓶，操作性很灵活，但是稳定性就稍微逊⾊⼀点。

所以民⽤飞机⼀般采⽤上单翼设计，⽽表演⽤途或者其他对操作性要求⾼的的飞机都采⽤下单翼设计。

机⾝ 机⾝的主要功⽤是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备;还可将飞机的其它部件如尾翼、机翼及发动机等连接成⼀个整体。

但是飞翼是将机⾝隐藏在机翼内的。

尾翼 尾翼包括⽔平尾翼(平尾)和垂直尾翼(垂尾)。

固体火箭发动机设计-火箭发动机设计图固体火箭发动机设计-火箭发动机设计图第1章绪论1.1设计背景固体火箭发动机与液体火箭发动机和其他化学能火箭发动机相比，具有很多的优点，因而它被广泛用作各类小型、近程的军用火箭和战术导弹的动力装置。

近几十年来，由于高能推进剂的出现，先进的装药设计和大型药柱浇注工艺的采用，优异的壳体材料和耐烧蚀材料的问世，以及高效而可靠推力矢量控制装置的研制成功，已在很大程度上克服了固体火箭发动机的缺点，更由于其结构简单，使它在竞争中显示更加优势的地位。

目前，固体火箭发动机除了用于军事用途外，也用于其他的很多方向。

研制和使用新型的高能推进剂，进一步提高推进剂的综合性能，发展无烟推进剂是火箭推进技术主要的研究和发展方向。

总之，随着固体推进技术在航天领域和导弹技术中应用不断发展，会有更多的新课题出现，许多技术问题有待开发。

所以，对固体火箭发动机的研究有十分重要的意思。

1.2固体火箭发动机简介1.2.1 固体火箭发动机基本结构固体火箭发动机主要由固体推进剂、燃烧室、喷管和点火装置等四大部分组成。

图1.1为固体火箭发动机示意图。

1、推进剂装药固体火箭发动机设计-火箭发动机设计图装药是装入燃烧室中的具有一定形状和尺寸的推进剂药柱的总称，它是固体火箭发动机的能源。

由于装药的燃烧，化学能转化为动能，并且向外做工功，从而推动发动机的运动。

常用的固体推进剂有三类：双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂。

固体推进剂包含有燃烧剂和氧化剂，它自身能够形成封闭的化学反应系统。

2、燃烧室燃烧室里面装载了固体推进剂，是发生化学反应的场所。

它主要由起支承作用的燃烧室壳体和起热防护作用的内绝热层组成，而燃烧室壳体一般由筒体和前后封头组成。

大部分燃烧室都制作成圆柱形，他是主要的受力场所。

燃烧室材料大多采用强度很高的材料，也有采用玻璃纤维缠绕加树脂成型的玻璃钢结构，以大幅度减轻燃烧室壳体的重量。

1——药柱；2——燃烧室；3——喷管；4——点火装置。