轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验_李有德.pdf

年第 卷 月第 期机 械 科 学 与 技 术 ：收稿日期：作者简介：李有德（），助理实验师，硕士研究生，研究方向为轴对称矢量喷管设计及优化，李有德，昝风彪，赵志刚，等轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验机械科学与技术，（）：轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验李有德，昝风彪，赵志刚，邓俊飞（青海民族大学 实验室与设备管理中心，西宁；兰州交通大学 机电工程学院，兰州）摘要：推力矢量技术主要通过控制矢量喷管偏转来实现矢量控制，轴对称矢量喷管具有偏转机构设计简便、矢量作用效果明显等优点，其喉道运动是完成喷气收扩的基础，为了研究其运动规律，设计了三环连杆传动控制结构；建立了喉道运动学及精度分析模型，讨论了 两铰孔位置误差、电机伸缩量误差、两个铰座孔的位置误差、外环厚度方向误差对喉道的误差影响；设计搭建矢量喷管实体实验平台，通过非矢量运动实验，验证运动学及精度分析模型的正确性，为进一步喉道和喷口控制分析奠定一定基础。关键词：轴对称矢量喷管；喉道控制；运动学精度分析；实验中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；推 力 矢 量 技 术（，）是指飞行器的动力推进装置，除了为飞行器提供向前飞的推力外，还能控制喷管或尾喷气流的偏转来产生不同方向的推力分量，代替原飞行器的操纵舵面或加强飞机的操纵能力，为飞机做俯仰、偏航、滚转等姿态时提供额外的力矩，以此对飞机飞行进行实时控制的技术。推力矢量飞行可通过控制安装在发动机尾部的矢量喷管偏转来改变发动机产生推力的方向，以此来改变飞机飞行 姿 态。轴 对 称 矢 量 喷 管（，）是可实现尾喷气转动的推力矢量喷管，是由美国 公司在 年首次提出，该喷管对飞机、发动机主机的改装要 求 小，具 有 简 单、轻 质、费 用 低 的 优 点。是随着 环位姿变化而变化的复杂空机 械 科 学 与 技 术第 卷：间机构，其中喷气在 段不存在偏转，尾喷气的的偏转是在 出口截面实现。目前国外有 公司、欧洲、印度、日本、西班牙以及以色列在研究这项前沿技术，公开资料中以尺寸和外形对喷管性能的影响为研究热点，文献设计了轴对称矢量喷管的基本结构，本次设计结构中、扩张调节片部分以此结构为基础；文献研究了喷嘴尺寸对火箭发射火焰长度的影响；文献研究了三维外形对喉道流体注入和推力矢量控制的影响。在国内，文献研究了注气流量、角度、喷管扩张角对喷管流动和内特性的影响；文献建立了 驱动机构空间运动数学模型并进行了多目标优化；文献对三环驱动轴对称推力矢量喷管逆运动学进行了研究，分析了常温情况三环机构的运动规律；文献对轴对称矢量喷管喷口进行了 动力学分析研究；文献对冷态轴对称矢量喷管非矢量状态运动学进行了研究，为喷管的收扩控制提供了量化依据；文献进行了轴对称矢量喷管运动机构多学科耦合仿真研究，并开发了优化程序。现阶段研究对象主要为常温下理想的 模型，相关验证结论以虚拟仿真模型为依据，但在矢量喷管实体机构中存在零件加工误差和运动副间隙等因素，这些因素会对喉道面积大小产生直接影响，从而进一步对发动机的转差、裕度、涡轮进口温度、推力、耗油率等产生限制，因此对矢量喷管喉道进行运动学精度分析并搭建实验平台进行验证具有很重要的现实意义。本文以轴对称矢量喷管为研究对象，设计了三环连杆驱动 虚拟与实体模型，对喉道进行运动学精度分析，通过虚拟仿真和实体实验平台进行实验，验证了模型的正确性，为进一步研究矢量喷管控制奠定一定基础。三环连杆 控制原理 三环机构在本次 设计方案中 环（内环）与 环（外环）按照图 所示通过一个中环连接，其中部件、均为圆柱轴销，内环与中环、中环与外环之间各由两个对称分布的圆柱轴销连接，该两组 个圆柱销互成 安装。这样，外环相对于内环就可作俯仰和偏航运动，而内环只有一个自由度即只能沿机闸轴线平移，经过虚拟仿真装配后，三环机构如图 所示。图 三环连接方式图 三环传动虚拟装配由于 环只能沿机闸轴线平移，当 环偏转时，由三环连成的万向节形式可以保证 环与 环始终同心即实现良好的定心功能，这也是本方案最突出的一个优点。喷气控制部分本次方案的喷气控制部分机构简图如图 所示，机架 代表喷管机闸部分，与 调节片 在 处铰接。、分别代表机闸末端半径、喉道半径、喷口半径。图 收敛扩张部分机构简图第 期 李有德，等：轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验：当矢量喷管进行非矢量收扩时，个作动筒进行同步伸缩，由于内环与中环、中环与外环之间各由两个对称分布的圆柱轴销连接，该两组 个圆柱销互成 安装，所以三环之间相对静止，同步沿机闸轴线平移，原动件 可同时表示 环和 环，且 拉杆 与 环铰接在 处，拉杆与 环铰接在 处。拉杆 的两端 和 分别与收敛调节片 端、环 端铰接。当 环与 环通过作动筒推动沿机闸的轴线平移运动时，通过 拉杆 带动了 片 绕其与机闸铰接端 转动，即铰接点 产生纵向位移从而控制 变化即 喉道面积变化。图 对应图 的俯视图，当 个作动筒不同步伸缩时，可使 环相对机闸轴线产生偏转，环带动 拉杆扩张调节片沿发动机圆周切线方向进行转动，从而带动所有调节片纵向偏转来改变喷气方向进而产生矢量推力。扩张部分与收敛部分之间要求即有横向又有纵向运动，因此，收敛调节片与扩张调节片之间通过十字转接头连接，从而满足运动要求。图 图 为本次 的三维装配体虚拟模型。图 矢量偏转简图图 收敛调节装配体图 非矢量示意图 矢量示意图图 虚拟装配图 喉道运动学精度模型建立 喉道运动学建模如图 所示，收敛部分可看做曲柄滑块机构，滑块对应为三环驱动部分，曲柄对应为收敛调节片部分，滑块位移 与调节片和机闸轴线之间夹角的关系即为三环同步位移与喉道面积大小之间的运动学关系。机 械 科 学 与 技 术第 卷：图 连杆机构喉道简图对以上机构进行矢量法求解，机构的闭环矢量方程为 （）将此矢量方程分解到 和 轴上，得到：（）对式（）进行计算可得三环同步位移与收敛调节片与机闸夹角之间的运动学关系式，可表示为 （）（）喉道精度分析模型建立机构中工作部分的运动误差主要受两类因素影响。第一类是机构选型和尺寸设计过程中，最终的机构在各构件尺寸均无任何误差的情况下，实际运动与预期要求理想运动两者之间的误差。第二类是由机构中各基本构件的尺寸误差导致的机构工作最终运动误差。本次讨论第二类因素引起的误差影响。分别对式（）中 和 求偏导数，得误差传递系数为：（）（）（）（）（）若此时 和 的误差分别为 和，则 的误差为（）本次设计喉道部分的物理参数为：拉杆两铰座孔距离为 ，收敛调节片的长度为 ，外环厚度为 ，铰座孔、高度为 ，的误差来源于 杆两铰孔位置误差，而 的误差来源于个部分，电机伸缩量误差 为.、两个铰座孔的位置误差、，外环厚度方向的误差，如图 图 所示，本次设计公差等级为 级。（）图 铰座、的误差图 杆两铰孔位置误差图 外环厚度误差将设计数据代入 进行数值求解，可求得 取一系列值时各误差传递系数值，并由此做出误差传递系数随 的变化曲线。图 误差传递系数由图 可知，和在技术范围内的数值为负，数值大小在作动筒伸缩的过程中逐渐减小，且的数值大小和下降程度速度均小于。图 误差变化情况误差随作动筒伸缩量的变化如图 所示。由图 可知，随着作动筒伸缩量的增加，调节片与机闸轴线夹角间的误差值随之增大，最小误差为.左右。由此可知，当喉道半径最大时，误差值为最小，喉道半径最小时，误差值为最大。将设计数据代入，可求得喉道运动区间范围如图 所示。第 期 李有德，等：轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验：图 喉道运动区间由图 可知，因考虑上述零件加工误差因素，电机伸长的过程中，喉道实际半径与理想的运动学模型存在偏差。非矢量实验本次实验通过推动作动筒（电机）同步运动，让喷管进行非矢量运动，通过实体实验与运动学精度分析模型数值仿真之间进行对比的方式验证模型的正确性。实验平台搭建喉道运动学实验平台系统如图 所示，具体包括电机驱动控制部分、轴对称矢量喷管装配体、喉道面积测量系统 个部分。图 实验平台构架电机控制驱动部分包括步进电机、驱动卡、控制卡、上位机控制系统 个部分。其中，上位机控制软件发送控制命令通过控制卡和驱动卡对 个电机进行同步驱动；电机在装配体中通过连杆和三环机构对矢量喷管喉道进行收扩控制；角度传感器安装在收敛调节片上，测得的数据通过采集卡传送到上位机采集系统中，上位机采集系统可实现实时显示数据并对其进行记录，进而完成整个实验过程。实验数据记录分析连接实验相关器材，进行喷管非矢量运动学实验，记录相关数据，并与运动学精度分析模型进行对比，结果如图 图 所示。图 调节片偏转角对比由图 可知，调节片偏转角的运动学理论数据和实验数据吻合度较高，最大误差不超过，表明建立的运动学模型是可以正确反映实际的运动情况。由图 可知，将图 喉道半径对比 调节片偏转角的误差传递到调节片末端的位移误差后运动学模型的数据同样与实验数据吻合度较高，因本次调节片长度较短为 ，最大误差不超过.，若调节片长度较大，则 的偏转角误差带来的影响也随之增大。图 喉道直径对比由图 可知，误差为正态分布下的模型数据与实际的实验数据吻合度较高，实验数据在精度分析模型的上下限之间，验证了运动学精度分析模型的正确性。结论）本文以轴对称矢量喷管装置为研究对象，设机 械 科 学 与 技 术第 卷：计了三环连杆传动控制结构，对喷管进行了虚拟建模，设计并搭建了矢量喷管实体实验平台。）建立了矢量喷管喉道运动学及精度分析模型，将设计数据代入进行数值仿真，分析了相关零件误差对喉道运动的具体影响。）通过实体实验平台进行喷管喉道非矢量运动实验，采集相关数据并与数值仿真结果进行对比分析，验证了喉道运动学精度分析模型的正确性，表明运动学精度分析模型是正确的，为下一步进行喉道控制分析及零件精度分配研究奠定一定基础。参考文献 王如根，高坤华航空发动机新技术北京：航空工业出版社，：，：，：（），：，：梁春华，张仁，沈迪刚国外航空发动机推力矢量喷管技术的发展研究航空发动机，（）：，（）：（）王玉新喷气发动机轴对称推力矢量喷管北京：国防工业出版社，：，：（）：，：，：，：，额日其太，李喜喜，王强轴对称喷管喉道面积射流控制数值模拟研究推进技术，（）：，（）：（）王贝，袁茹，王三民，等轴对称推力矢量喷管驱动机构的多目标优化设计研究 机械科学与技术，（）：，（）：（）赵志刚，李建鹏，刘洋，等三环驱动轴对称推力矢量喷管逆运动学分析航空动力学报，（）：，（）：（）闫世洲，赵志刚，霍树林轴对称矢量喷管喷口 动力学分析机械科学与技术，（）：，（）：（）霍树林，赵志刚，闫世洲冷态轴对称矢量喷管非矢量状态 运 动 学 研 究 机 械 科 学 与 技 术，（）：，（）：（）张昊，王汉平，窦建中轴对称矢量喷管运动机构多学科耦合仿真兵器装备工程学报，（）：，（）：（）唐宇峰，沈锡钢，李泳凡，等喷管喉道面积变化对大涵道比分排涡扇发动机性能的影响航空发动机，（）：，（）：（）周吉利，贾东兵，邵万仁，等涡轮发动机可调收扩喷管主要性能影响因素计算分析 航空发动机，（）：，（）：（）华大年，华志宏连杆机构设计与应用创新北京：机械工业出版社，：，：，：（）