朱康武，房 成，紀寶亮，傅俊勇

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

新型四余度功率電傳推力矢量控制技術(shù)①

朱康武，房 成，紀寶亮，傅俊勇

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

通過對現(xiàn)有不同類型功率電傳(PBW—Power by wire)系統(tǒng)進行分析，根據(jù)航天運載器使用特點，提出了理想PBW系統(tǒng)的概念，并基于負載敏感原理提出了新型PBW系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上，針對載人航天等高可靠性應(yīng)用場合，提出了四余度PBW系統(tǒng)方案。通過仿真研究證明所提出的新型PBW系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)PBW系統(tǒng)更好的綜合性能，是最接近于理想PBW系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過對四余度PBW系統(tǒng)在故障情況下的工作情況進行仿真研究表明，四余度PBW系統(tǒng)具有兩次故障工作、三次故障安全的余度等級。文中所提出的系統(tǒng)方案在未來大推力固體火箭發(fā)動機和氫氧發(fā)動機推力矢量控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

功率電傳；推力矢量控制；伺服系統(tǒng)；運載火箭

0 引言

推力矢量控制系統(tǒng)(TVC—Thrust vector control)是運載火箭控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。它通過搖擺發(fā)動機噴管產(chǎn)生控制力矩，實現(xiàn)運載火箭的姿態(tài)和方向控制。為了實現(xiàn)火箭的高精度控制，要求TVC系統(tǒng)具有較好的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能。電液伺服系統(tǒng)由于具有比電動伺服系統(tǒng)更好的穩(wěn)態(tài)精度、頻響性能和控制剛度。因此，電液伺服系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于運載火箭TVC系統(tǒng)中。目前，對于輸出功率大于5 kW的電液 TVC系統(tǒng)，其能源通常來自于火箭發(fā)動機、燃氣發(fā)生器或壓縮氣體等。對于運載火箭三級或上面級使用的輸出功率小于5 kW的電液 TVC 系統(tǒng)，則通常使用電池為動力[1]。

功率電傳(PBW-Power by wire)伺服系統(tǒng)由電池提供能源，無需另外配置復雜的液壓或機械能源系統(tǒng)，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊、布置方便、功率密度大等優(yōu)點，是未來航空航天伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，電池的能量密度快速提高，已經(jīng)可滿足較大功率電液 TVC系統(tǒng)的要求。與常規(guī)動力方式相比，電池系統(tǒng)更加簡單、便宜、易于維護并具有更高的可靠性。對于一些正在研發(fā)的新型運載火箭，正在研究使用電池作為電液TVC系統(tǒng)的能源[2]。為了將使用電池為動力的電液TVC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的由其他方式提供能量的電液TVC系統(tǒng)相區(qū)別，定義前者為PBW-TVC系統(tǒng)。

對于固體助推器和固體運載火箭，目前主流TVC方案是以電池作為能源，以大功率電動伺服系統(tǒng)控制柔性噴管搖擺[3-4]。目前電動伺服系統(tǒng)大多使用直流無刷電機和交流永磁伺服電機，在功率密度方面遠遠高于傳統(tǒng)直流電機，且具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便等優(yōu)點[5-6]。但電液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度、頻響性能和功率/質(zhì)量比均大大優(yōu)于電動伺服系統(tǒng)。同時，由于電動伺服系統(tǒng)中的傳動系統(tǒng)，如滾珠絲杠和減速器等存在卡死的可能，其失效可能造成致命影響，而電液伺服系統(tǒng)則不存在這種可能。傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的主要問題是制造難度大、油液可能泄露、使用維護較麻煩、系統(tǒng)效率低。但隨著近幾年電池和液壓技術(shù)的發(fā)展，通過有針對性地改進其缺點，充分挖掘其技術(shù)優(yōu)勢和潛力，則新型功率電傳伺服技術(shù)仍將占有其一席之地。

對于PBW系統(tǒng)，由外界向系統(tǒng)提供能源的傳統(tǒng)高壓油管被電纜所代替，且可取消復雜的外部液壓能源系統(tǒng)[7-8]。因此，PBW-TVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、布置更加方便，且比傳統(tǒng)電液 TVC系統(tǒng)具有更高可靠性。目前，國內(nèi)外提出了多種基于不同工作原理的PBW系統(tǒng)，但都存在著比較明顯的缺點或不足。例如，泵控PBW系統(tǒng)的控制性能很差；閥控PBW系統(tǒng)的效率很低；而復合形PBW系統(tǒng)由于太復雜而變得非常不可靠[9-10]。

針對以上問題，本文將首先提出理想功率電傳系統(tǒng)的概念。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型PBW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對其進行研究。最后提出了一種四余度高可靠性PBW系統(tǒng)，并通過仿真研究證明所提出新型PBW系統(tǒng)的有效性。

1 新型功率電傳推力矢量控制系統(tǒng)

1.1 典型電液功率電傳推力矢量控制系統(tǒng)分析

首先對2種典型PBW-TVC系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行對比研究。典型PBW-TVC系統(tǒng)分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類，閥控系統(tǒng)的工作原理見圖1，它由電池、逆變器、中頻電機、恒壓變量泵、高頻響電液噴嘴擋板伺服閥、液壓作動器、位置傳感器和控制器幾部分組成。系統(tǒng)中，電池、電機、泵和蓄能器組成了能源子系統(tǒng)提供高壓油。伺服閥、液壓作動器、位置傳感器和控制器組成了位置反饋控制子系統(tǒng)。

對于運載火箭，希望TVC系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能輕，即盡量提高系統(tǒng)效率以減輕電池、電機和泵的質(zhì)量。因此，液壓系統(tǒng)效率是衡量TVC系統(tǒng)性能的重要指標。閥控系統(tǒng)的液壓效率為

(1)

式中ηh為系統(tǒng)液壓效率；ps為泵的輸出壓力；pL為負載壓力；qL為負載流量；qp為泵輸出流量。

負載壓力為

(2)

式中FL為折算在作動器上的負載力；Ap為作動器活塞有效面積。

由圖1可知，閥控系統(tǒng)為恒壓變量系統(tǒng)。在不同工況下，系統(tǒng)輸出壓力均能穩(wěn)定在設(shè)定值附近。而由壓力控制閥和調(diào)節(jié)機構(gòu)控制泵斜盤角度改變輸出流量適應(yīng)負載對流量的需要。由于系統(tǒng)中沒有溢流損失，可近似得到：

qp=qL+Δq

(3)

式中Δq為泄漏流量。

將式(2)、式(3)代入式(1)，有

(4)

由式(4)很容易發(fā)現(xiàn)經(jīng)典閥控系統(tǒng)的效率與負載力有關(guān)。因此，在小負載情況下，系統(tǒng)效率將非常低。在大多數(shù)PBW系統(tǒng)中，油箱容積都比較小，則低效率將會導致劇烈溫升，并造成系統(tǒng)故障。因此，經(jīng)典閥控PBW-TVC系統(tǒng)僅用于短時、小功率場合。

雖然閥控PBW系統(tǒng)具有非常好的頻響性能，但對油液污染非常敏感，效率低。為了解決這些問題，提出了泵控PBW-TVC系統(tǒng)，見圖2。在泵控系統(tǒng)中，使用伺服電機和雙向定量泵，通過控制電機轉(zhuǎn)速和方向調(diào)節(jié)進行液壓作動器的流量。

在泵控系統(tǒng)中，由于沒有溢流損失，因此式(3)仍然成立。同時，在系統(tǒng)中也不存在節(jié)流損失(在閥控系統(tǒng)中，節(jié)流損失主要來自于伺服閥)，則有

ps=pL

(5)

將式(3)、式(5)代入式(1)，系統(tǒng)效率為

(6)

由式(6)可知，泵控系統(tǒng)的液壓效率幾乎與工況無關(guān)。通常，泄漏量Δq小于5%泵額定流量。因此泵控系統(tǒng)的理論效率可達95%，遠遠高于閥控系統(tǒng)。

在泵控系統(tǒng)中沒有小直徑節(jié)流孔和流道，具有很好的抗污染能力。因而泵控系統(tǒng)的可靠性優(yōu)于閥控系統(tǒng)。

由于具有高效率和高可靠性的優(yōu)點，在最近20年里，泵控PBW系統(tǒng)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于F-18、F-35等先進戰(zhàn)斗機的飛控系統(tǒng)中[11]。但是系統(tǒng)的頻響性能、穩(wěn)定性和低速控制性能均低于閥控系統(tǒng)。泵控PBW系統(tǒng)控制帶寬很難超過5 Hz[12]。較差的控制性能大大限制了泵控PBW系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1.2 理想功率電傳推力矢量控制系統(tǒng)定義

由以上研究分析可知，目前應(yīng)用的或提出的PBW系統(tǒng)均有著明顯的限制性。在設(shè)計更為優(yōu)化的PBW 系統(tǒng)前，有必要首先對理想PBW-TVC系統(tǒng)進行定義。

對于運載火箭PBW-TVC系統(tǒng)來說，評價系統(tǒng)性能好壞的3項最重要性能指標分別為：控制性能、效率和可靠性。在大多數(shù)情況下，這3項性能指標是互相矛盾的，能同時滿足這3項指標的系統(tǒng)也是不存在的。

因此，理想的應(yīng)當是一個能夠在性能、效率和可靠性3項指標中達到最佳均衡的系統(tǒng)。用更簡單的語言描述為：理想的PBW-TVC系統(tǒng)必須是一個結(jié)構(gòu)簡單系統(tǒng)，并應(yīng)用新的設(shè)計原理實現(xiàn)控制性能和效率兩者之間的最佳折衷。

1.3 基于負載敏感原理的理想功率電傳推力矢量控制系統(tǒng)

閥控PBW系統(tǒng)性能遠優(yōu)于泵控PBW系統(tǒng)，但它的主要問題是效率低和可靠性低。對于效率低的問題，由式(1)、式(4)可知，由于閥控系統(tǒng)壓力是恒定的，因此損失在伺服閥節(jié)流口上的節(jié)流損失是其低效率的根本原因。如果系統(tǒng)壓力可隨著負載變化而改變，保證伺服閥上壓降為恒定的小值，則可從根本上減少節(jié)流損失，進而大大提高系統(tǒng)效率。

基于以上分析，引入一種新的被稱為“負載敏感”的液壓控制原理，從而實現(xiàn)系統(tǒng)壓力隨負載自適應(yīng)變化的功能。

負載敏感的工作原理是通過調(diào)節(jié)變量泵的排量機構(gòu)，保證系統(tǒng)壓力ps始終比負載壓力pL高Δp[13]。則系統(tǒng)壓力為

ps=pL+Δp

(7)

式中Δp為設(shè)定的伺服閥兩端壓力降，通常為0.5～2 MPa。

系統(tǒng)液壓效率為

(8)

將式(8)與式(4)進行比較可發(fā)現(xiàn)，新的基于負載敏感原理的PBW系統(tǒng)效率遠遠高于閥控系統(tǒng)，特別是當負載壓力較小時。

圖3為新型PBW-TVC系統(tǒng)工作原理圖。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與閥控系統(tǒng)比較接近，主要差別在于使用了新的負載敏感泵替代了恒壓變量泵。通過調(diào)節(jié)負載敏感泵中壓力控制閥的預(yù)壓縮量設(shè)定Δp的值。使用梭閥敏感負載壓力，并將壓力值傳遞至壓力控制閥。當輸出壓力ps小于pL、Δp之和時，壓力控制閥將控制泵中的作動器以增加泵的排量和輸出流量，從而增加輸出壓力，反之亦然。

對于閥控系統(tǒng)可靠性低的問題，在新系統(tǒng)中引入了新型直驅(qū)式伺服閥(Direct Drive Valve—DDV)替代傳統(tǒng)對油液污染非常敏感的噴嘴擋板式伺服閥。DDV閥中沒有小直徑的噴嘴和流道，由推力比較大的線性力馬達驅(qū)動，因而閥芯的剪切力切大，可切斷一些較小的雜質(zhì)和碎削。因此，DDV閥具有非常好的抗污染能力和本質(zhì)可靠性，從而新型PBW系統(tǒng)比傳統(tǒng)閥抗系統(tǒng)具有更高的可靠性[14]。

新的PBW系統(tǒng)可被認為是一種改進的閥控PBW系統(tǒng)。因而該系統(tǒng)具有比泵控PBW系統(tǒng)更好的控制性能，且與經(jīng)典具有非線性特性的閥控系統(tǒng)相比，新的PBW系統(tǒng)具有線性的控制特性。伺服閥的流量方程為

(9)

式中Cd為閥的流量系數(shù)；W閥口面積梯度；xv為閥芯開口位移；ρ為油液密度。

對于常規(guī)閥控系統(tǒng)式(9)中的壓差Δp由負載決定，閥的流量特性為非線性。而對于負載敏感系統(tǒng)，由于Δp為近似常值，所以其輸入位移與輸出流量之間為線性關(guān)系，更加容易控制。

由上述分析可知，所提出的新型PBW系統(tǒng)與其他現(xiàn)有PBW系統(tǒng)方案具有更加均衡的性能，是與理想PBW系統(tǒng)概念最為接近的系統(tǒng)。

2 四余度功率電傳推力矢量控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

在下一代運載火箭中，對TVC系統(tǒng)的可靠性指標從目前的0.999 9增加至0.999 99，傳統(tǒng)的不使用余度技術(shù)的TVC系統(tǒng)將無法滿足日益苛刻的可靠性指標要求。

對于并聯(lián)冗余系統(tǒng)，其可靠性為[15]

(10)

式中Ri(t)為單通道的可靠性；Rs(t)為整個冗余系統(tǒng)的可靠性。

假設(shè)單余度系統(tǒng)的可靠性為0.9，則四余度冗余系統(tǒng)的可靠性可達0.999 9。對于載人運載火箭，使用三余度甚至四余度TVC系統(tǒng)是必須的[16]。針對下一代運載火箭，特別是使用固體火箭發(fā)動機和氫氧發(fā)動機的應(yīng)用場合，基于上面提出的新型PBW系統(tǒng)設(shè)計原理，提出了一種新型四余度PBW-TVC系統(tǒng)。

系統(tǒng)由4個獨立的液壓和電氣通道組成，以實現(xiàn)二次故障/工作、三次故障/安全的能力，見圖4。圖5為系統(tǒng)液壓原理圖。由4個液壓通道使用流量綜合的方式共同驅(qū)動1個液壓作動器。4個梭閥用于敏感負載壓力并獨立傳遞至每個通道。各液壓通道都由1臺獨立的負載敏感泵、油箱和中頻電機組成獨立的油源子系統(tǒng)。因此，無論是液壓通道還是電氣通道出現(xiàn)1次或多次故障均不會導致整個系統(tǒng)的失效。

1-液壓作動器；2-位置傳感器；3-溢流閥；4-梭閥；5-直驅(qū)式伺服閥；6-過濾器；7-單向閥；8-安全閥；9-負載敏感泵；10-壓力控制閥；11-中頻電機；12-變量泵；13-調(diào)節(jié)機構(gòu)；14-增壓油箱。

2.2 故障檢測及余度管理方法

設(shè)計了余度管理系統(tǒng)，以保證能夠快速發(fā)現(xiàn)故障，并對故障進行隔離，以確保故障不會影響正常通道，并使用余度管理方法對系統(tǒng)進行重構(gòu)，保證系統(tǒng)性能下降最小。

3 系統(tǒng)建模及仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)建模

為了驗證所提出新型PBW系統(tǒng)的有效性，使用Amesim?建立了經(jīng)典閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng)和新型PBW系統(tǒng)的仿真模型。同時，建立了四余度PBW系統(tǒng)的仿真模型以評估故障狀態(tài)下余度系統(tǒng)性能。仿真模型中使用的參數(shù)見表1。

表1 仿真模型參數(shù)

3.2 3種功率電傳系統(tǒng)對比仿真結(jié)果

設(shè)計了由方波和正弦波組成的時長為90 s的測試信號，對3種PBW系統(tǒng)的控制性能和效率進行測試。方波信號頻率為0.2 Hz和0.5 Hz，幅值分別為±0.05 m和±0.03 m。正弦信號頻率為0.5、2、5 Hz，幅值分別為±0.04、±0.02、±0.02 m。

由圖6的跟蹤對比結(jié)果很容易發(fā)現(xiàn)，泵控PBW系統(tǒng)的性能最差，控制剛度底、穩(wěn)態(tài)誤差較大。新型PBW系統(tǒng)的控制性能比閥控PBW系統(tǒng)略差，但遠遠優(yōu)于泵控PBW系統(tǒng)。

圖7給出了3種PBW系統(tǒng)的能量消耗。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。泵控PBW系統(tǒng)的效率最高，而新型PBW系統(tǒng)的效率明顯高于閥控PBW系統(tǒng)。

對3種PBW系統(tǒng)進行掃頻仿真測試，正弦信號的幅值為±20% 全行程，掃頻范圍為0.1～20 Hz。仿真結(jié)果見圖8。仿真結(jié)果表明新型PBW系統(tǒng)的頻響控制性能遠遠優(yōu)于泵控PBW系統(tǒng)，而與閥控PBW系統(tǒng)非常接近。

圖9為新型PBW系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出壓力對負載壓力的跟蹤情況。在穩(wěn)態(tài)和低頻工況下，壓差 Δp僅為 15～20 bar (10 bar=1 MPa)。但當負載壓力方向突變時，由于泵的慣性以及油液和管路的壓縮特性，瞬態(tài)壓差可達80～90 bar。

上述仿真結(jié)果表明，基于負載敏感原理的新型PBW系統(tǒng)具有最優(yōu)的綜合性能，最接近于理想PBW系統(tǒng)。

3.3 四余度PBW系統(tǒng)仿真結(jié)果

對四余度系統(tǒng)在故障模式下的控制性能開展仿真研究。使用0.5 Hz的方波信號和2 Hz的正弦信號作為測試信號。由圖10的仿真結(jié)果表明，即使當兩通道故障時，系統(tǒng)的控制性能仍然是可接受的。

圖11為四余度系統(tǒng)的頻響性能仿真結(jié)果。使用的測試正弦信號幅值為±20%全行程，頻率從0.1～20 Hz。在無故障時的系統(tǒng)帶寬(-3 dB)為6 Hz。隨著故障通道的增加，帶寬逐漸下降，分別為 5、2、1 Hz。

上述仿真結(jié)果表明，該四余度PBW系統(tǒng)具有兩次故障工作、三次故障安全的能力。

4 結(jié)論

(1)與現(xiàn)有功率電傳系統(tǒng)相比，本文所提出的基于負載敏感原理的新型功率電傳系統(tǒng)具有更好的綜合性能，是最接近于理想功率電傳系統(tǒng)概念的方案。

(2)在新型功率電傳系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計的四余度功率電傳方案具有二次故障工作、三次故障安全的冗錯能力，可滿足未來載人航天運輸系統(tǒng)對推力矢量控制器可靠性的要求。

(3)與電動伺服系統(tǒng)相比，電液伺服系統(tǒng)具有功率密度大、頻響高、位置剛度大、無卡死等固有優(yōu)點。但也存在效率較低、可靠性低、維護復雜等問題。本文所提出的新型功率電傳系統(tǒng)，可保留電液伺服系統(tǒng)原有優(yōu)勢，并解決效率和可靠性等問題，從而重新煥發(fā)電液伺服系統(tǒng)的生命力。

(4)在我國未來固體助推器和固體運載火箭中，特別是對推力矢量控制系統(tǒng)輸出力和動態(tài)要求較高的場合，本文所提出的新型功率電傳系統(tǒng)方案具有比電動伺服系統(tǒng)更大的吸引力。

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(編輯：呂耀輝)

New quad-redundant power by wire thrust vector control system

ZHU Kang-wu, FANG Cheng, JI Bao-liang, FU Jun-yong

(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China)

In this paper, some currently available PBW systems were analyzed firstly. According to characteristics of launching vehicle, the concept of ideal PBW system was proposed. The new PBW system based on load sensing principle was designed. Based on this, a new quad-redundant PBW system with high reliability that meets the requirement of manned space flight was proposed. By simulation studies, the new PBW system shows significantly better overall performances than the other PBW systems. It is the system that is mostly close to the concept of ideal PBW system. The simulation results of quad-redundant PBW system under faulty conditions show that the system has redundant performance of twice-fault working and three-fault safe. The new PBW system has a wide potential application in thrust vector control of solid rocket engine and hydrogen oxygen engine.

power by wire；thrust vector control；servo system；launching vehicle

2016-02-24；

2016-07-25。

民用航天“十二五”技術(shù)預(yù)先研究項目(科工技〔2013〕669號)。

朱康武(1983—)，男，博士，研究方向為運載火箭高可靠性伺服系統(tǒng)設(shè)計。E-mail:zjuzkw@zju.edu.cn

V435+.23

A

1006-2793(2017)04-0525-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.022