伺服机构状态对火箭发动机环境试验的影响_方兴.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2020-03-26；修回日期：2020-07-05 文章编号：2097-1974(2023)01-0066-03 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230113 伺服机构状态对火箭发动机环境试验的影响 方 兴（北京强度环境研究所，北京，100076）摘要：在火箭发动机环境试验中，发动机伺服的状态对喷管以及其他部件的环境响应存在着影响。通过说明上述影响的具体表现形式，给出某发动机地面低频振动环境试验中，不同伺服状态下（锁止、非锁止）喷管响应，并对其成因给出分析。发动机伺服机构锁止状态下，系统整体一阶谐振频率、响应大小均高于非锁止状态。由此，发动机系统环境考核试验应在伺服系统锁止状态下进行，以得到充分考核。关键词：伺服刚度；火箭发动机；环境试验 中图分类号：O327 文献标识码：A The Influence of Servomechanism State on Rocket Engine Environmental Test Fang Xing(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing,100076)Abstract:In the environmental test of rocket engine,the state of engine servo has influence on the environmental response of nozzle and other components.The concrete manifestation of the above influence is mainly explained.The response of nozzle under different servo conditions(locked and unlocked)is given in the ground low frequency vibration environment test of an engine,and the causes are analyzed.When the engine servo mechanism is locked,the first-order resonance frequency and response of the whole system are higher than that of the non locked state.Therefore,the environmental assessment test of engine system should be carried out under the condition of servo system locking to get full assessment.Key words:servo stiffness;rocket engine;environmental testing 0 引 言 运载火箭中发动机是至关重要的部件，对于不同飞行阶段的发动机，其经历的环境也不相同。尤其为三级、四级发动机，要经历前面几级飞行时的环境。因此需要对三级以上发动机进行飞行环境适应性考核。在发动机整机考核中，伺服系统常以真实产品状态参与试验，那么伺服机构是否要进行锁止后进行环境试验（前几级飞行过程中，伺服通过箭上供气进行锁止）。本文对某发动机环境试验进行分析，给出了伺服机构不同状态下（机械锁止、不锁止）的响应情况，并通过对数据的对比给出发动机环境试验的建议。1 试验介绍 发动机结构示意如图 1 所示1。发动机为双喷管发动机。发动机喷管通过可自由转动的常平座和 2 个伺服机构连接于机架上。发动机喷管 1 的伺服 A 与喷管 2的伺服 B 通过金属软管将其液压系统连在一起；同样地，发动机喷管 1 的伺服 B 与喷管 2 的伺服 A 通过能源并联液压软管连接。a）外形 b）常平座（连接喷管部件）图1 发动机结构示意 Fig.1 Structure of Engine 伺服机构连接形式见图 2。伺服机构系统原理性样机如图 3 所示2。试验时，发动机通过机架大端 4 个角点处共计 8 个 14.5 的孔与试验夹具连接，试验夹具再与振动台连接。试验过程中，低频正弦振动环境（频率范围 5100 Hz）由振动台输出，通过夹具传递至发动机机架大端；控制点位于发动机机架的 4 个角点处，方 兴 伺服机构状态对火箭发动机环境试验的影响 67第1期 采用四点平均控制方式。分别在伺服机构锁止状态（用伺服夹具进行锁止）和不锁止状态下，进行相同的低频正弦振动环境试验，试验由低频（5 Hz）按速率 4 oct/min 对数扫描至高频（100 Hz）。图2 试验中发动机主要部件关系示意 Fig.2 Relationship of Main Engine Components in the Test 图3 伺服机构系统原理性样机 Fig.3 Schematic Prototype of Servo System 2 试验介绍 Y向、Z向低频环境下关键数据传递曲线如图 4、图 5 所示。传递曲线为喷管顶端测点主振方向响应，对机架方框上测点 5#主振方向响应的传递比曲线。一阶谐振频率及对应传递比见表 1。a）测点18r对5y传递曲线 图4 Y向环境试验中喷管测点对机架方框测点主振方向传递曲线 Fig.4 Transmission Curve of Main Vibration Direction from Measurement Point on Nozzle to Measurement Point on Frame in y-direction Environmental Test b）测点19r对5y传递曲线 续图4 a）测点18t对5z传递曲线 b）测点19t对5z传递曲线 图5 Z向环境试验中喷管上测点对机架方框测点主振方向传递曲线 Fig.5 Transmission Curve of Main Vibration Direction from Measurement Point on Nozzle to Measurement Point on Frame in z-direction Environmental Test 表1 试验中喷管部分一阶谐振情况 Tab.1 First Order Resonance of Nozzle in the Test 喷管位置伺服锁止状态 伺服无锁止 谐振频率/Hz放大倍数 谐振频率/Hz放大倍数Y 向试验 喷管 1 16.44 18.28 约 8.45 3.15 喷管 2 17.05 54.32 约 8.2 2.63 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 68 续表1 喷管位置 伺服锁止状态 伺服无锁止 谐振频率/Hz 放大倍数谐振频率/Hz 放大倍数Z 向试验 喷管 1 18.54 143.9 14.94 8.22 喷管 2 18.54 119.4 12.59 5.728 注：“约 8.45Hz”表示因传递响应峰较小，且不光滑，此值为根据经验选取的频率值 通过试验可知，Y向试验中伺服机构无锁止状态下，喷管谐振频率约为锁止状态下的 1/2；Z向试验中伺服机构无锁止状态下，喷管谐振频率不小于锁止状态下的 2/3。即伺服无锁止状态下，喷管谐振频率均要低于伺服锁止状态下的谐振频率。不同伺服机构状态下，多数传递比曲线在 50 Hz 以上存在重合性。由此可知，伺服的锁止状态仅对喷管低频谐振有很大影响。从表 1 中可知，伺服锁止状态下谐振频率处传递放大倍数远高于无锁止状态。3 理论阐释 由振动力学中基本的运动方程0mxcxkx+=?可知，决定系统频率的因素为质量和刚度。上述环境试验中，改变的仅有伺服机构的锁止状态，因此可知，当锁止了伺服机构的位移量后，喷管相对机架的连接刚度有所提高。根据/fk m可知，伺服机构锁止后，Z向试验中喷管 1 的相对连接刚度提高了约 1.408 倍；喷管 2 的相对连接刚度提高了 2.159 倍。Y向试验中，2 个喷管相对连接刚度，均提高约 4.195 倍。伺服机构处于非锁止状态时，2 个伺服作动器可产生相对伺服本体的轴向位移，则伺服机构支撑的喷管可产生以常平座为圆心的刚体转动，此时给喷管提供支撑刚度的主要为伺服机构内的伺服能源；相比较伺服机构锁止时的单一结构体，其刚度要小。因此非锁止状态下，喷管传递比中一阶谐振频率要小于锁止状态的谐振频率。非锁止状态下，一阶谐振传递比放大倍数远小于锁止状态，其原因同为伺服机构的位移-谐振时喷管-阶弯曲运动，其根部将产生角运动（或应变-完全固支时），其角运动传递到伺服机构上形成作动器拉伸、压缩。当伺服作动器产生位移时，喷管的约束状态随即改变（约束刚度进一步降低甚瞬时至无约束），此刻喷管相对机架方框的动力学特性改变，以致喷管响应瞬间减小，产生第 2 节中曲线形状。在伺服机构锁止状态下，喷管y向、z向谐振频率值较为相同；在伺服机构非锁止状态下，喷管y向、z向频率值差异很大：y向刚度明显低于z向。分析伺服机构与喷管运动关系：当 2 个喷管在Y向产生同向位移时，喷管 1 的 2 个伺服机构受压，喷管 2 的 2 个伺服机构受拉；通过伺服软管连接的 2 个伺服机构，分别受拉和受压，即软管内能源受伺服作用产生整体的流动-伺服作用产生运动。当 2 个喷管在Z向产生同向位移时，与同一喷管连接的两个伺服机构一个受拉，另一个同时受压；通过伺服软管连接的 2 个伺服机构，则同时受拉或受压，即软管内能源整体相对静止不动，承受伺服机构的拉、压作用-伺服作用产生形变。通过上述分析可知，伺服非锁止状态下，喷管y向、z向支撑约束刚度来源不同，因此其一阶谐振频率相差很大。4 结束语 从以上分析可以看到，伺服机构锁止状态下喷管一阶谐振谐振频率高，响应放大倍数大；三、四级发动机在火箭前几级飞行时处于锁止状态。因此对于三、四级发动机在一、二级飞行环境下的考核时，应使发动机伺服机构处于锁止状态，以充分地面试验考核（避免发生可能的欠试验情况）。参 考 文 献 1 董寻虎,张晓漫.某火箭发动机系统振动特性测试和仿真分析J.火箭推进,2006(1):54-58.Dong Xunhu,Zhang Xiaoman.Dynamics test and simulation of a launch vehicle engine systemJ.Journal of Rochet Propulsion,2006(1):54-58.2 赵守军,等.液氧煤油载人运载火箭二级伺服机构系统方案J.载人航天,2012(5):1-7.Zhao Shoujun,et al.The 2nd stage servo-mechanism system for liquid oxygen-kerosene manned launch vehicleJ.Manned Spaceflight,2012(5):1-7.3 季文美,方同,陈松淇.机械振动M.北京:科学出版社,1985.Ji Wenmei,Fang Tong,Chen Songqi.Mechanical vibrationM.Beijing:Science Press,1985.作 者 简 介 方 兴（1982-），男，高级工程师，主要研究方向为动力学环境试验。