[发明专利]一种运载火箭伺服机构液压能源装置

说明书

技术领域

本发明属于一种运载火箭伺服机构液压能源装置及系统，具体涉及一种液氧煤油运载火箭伺服机构的液压能源装置及包含此装置的伺服机构和伺服机构系统。

背景技术

伺服机构是我国对运载火箭飞行控制执行机构子系统的统称，典型应用是摇摆发动机实施推力矢量控制。液氧煤油运载火箭是指采用液氧煤油发动机、以液氧和煤油为燃料的运载火箭，具备无毒、无污染、高性价比和使用维护方便等优点，是目前世界上的一种主流运载火箭，也是我国重点研制的一种未来主力运载火箭。相应地，摇摆液氧煤油发动机的伺服机构是此类型运载火箭的必备设备；由于功率较大（千瓦至数十千瓦级），如何解决其能源问题成为此类伺服机构技术方案的核心。

国外此类典型的伺服机构液压能源方案主要有：美国Atlas Ⅱ系列火箭，采用MA-5A液氧煤油发动机，其涡轮泵齿轮减速箱伸出一根传动轴驱动伺服机构上的液压泵；美国Saturn Ⅴ火箭采用F1液氧煤油发动机，Falcon系列火箭采用Merlin系列液氧煤油发动机，俄罗斯的Energia和Zenith系列火箭以及美国的AtlasⅢ系列和AtlasⅤ系列火箭均采用俄罗斯的RD170/180系列液氧煤油发动机，其伺服机构均采用引流发动机燃料泵后高压煤油直接驱动作动器的方案，以最大限度地简化发动机和伺服机构设计，简称“直接引流式”液压能源方案。

我国近年来已开展了液氧煤油运载火箭伺服机构的研制工作，有采用“直接引流式”的液压能源方案，并且在此基础上研制了“液动机式”液压能源方案，引流发动机燃料泵后高压煤油驱动液动机再驱动液压泵。“液动机式”液压能源方案的突出特点是可以实现伺服机构内部液压系统工作介质与发动机燃料系统的彻底隔离，具有一系列优点：接口简单清晰，便于火箭使用和维护，液压部组件可以最大限度地继承现有液压油介质伺服机构产品体系，不需要考虑一般较少采用的煤油介质密封问题。虽然“液动机式”液压能源表面上多出了液动机和液压泵等部件，但实际上“直接引流式”伺服机构为适应我国运载火箭的地面电源测试体制，液压泵等部组件同样少不了，并且通过集成设计并不为火箭使用增添多余的负担。因此，“液动机式”液压能源方案是液氧煤油运载火箭伺服机构的一种具备竞争力的方案。

已公开技术没有提出以下问题的解决方案：1)上面级（即多级火箭的第二级及以上级）液氧煤油火箭的”空中冷起控”问题：即火箭在一级分离后、上面级启动前的瞬时间隙内，伺服机构是不能从上面级液氧煤油发动机获得动力的，而发动机点火启动过程本身对火箭姿态是一个干扰，又希望伺服机构具备控制能力，需要比发动机提前启动，伺服机构此时的能源问题需要自己解决；2)液氧煤油发动机在实施较大范围推力调节时的伺服机构控制能力适应性：液氧煤油发动机具备较大范围推力调节（RD180最大调节范围为42%～100%）的能力特点，可用来显著提高运载火箭的运载能力。但对于引流发动机燃料泵后高压煤油做为液压能源的伺服机构而言，引流高压煤油压力会随着发动机推力变化而变化，伺服机构如不采取措施，其性能也会有显著变化。伺服机构需要一种简便的解决方案，以适应液氧煤油发动机的大推力调节特点；3)两及以上自由度伺服机构液压能源部分的可靠性问题：已公开方案中，能源部分是单点失效环节，对于两及以上自由度摇摆的发动机而言，伺服机构能源可靠性问题特别突出，能源任何部分失效均将导致整个推力矢量控制系统失效；4）两及以上自由度伺服机构系统的电动泵全功率地面测试和减重兼顾问题：目前较大功率伺服机构地面测试时多采用与飞行主液压泵独立的一套小功率的电动泵能源，或者采用液压泵分档控制（液压泵有两个档位，分别工作在地面测试和飞行），地面试验时如要全功率测试，需要采用两外一套地面液压能源用于伺服机构全功率测试，比较麻烦，而对于伺服机构带载情况下的测试如果使用电动泵也能全功率测试，使用要方便得多，可以省去地面液压能源；并且，对于两及以上自由度推力矢量控制而言，如果每台伺服机构均配备一套电动泵，又多增加了重量，而上面级火箭对重量又特别敏感，希望设备尽可能减重。

发明内容

本发明的目的是提供一种运载火箭伺服机构液压能源装置，它能够解决液氧煤油上面级火箭伺服机构的“空中冷起控”问题，液氧煤油发动机推力大范围调节时的伺服机构控制能力自我适应问题，两自由度及以上伺服机构系统的能源可靠度问题，两自由度及以上伺服机构系统电动泵全功率地面测试和重量兼顾问题。