一种用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置的制作方法

1.本实用新型属于液体火箭技术领域，具体是指一种用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置。


背景技术：

2.矢量发动机是保证液体运载火箭顺利进入预定轨道，完成预定飞行任务的核心部件之一，而推力的矢量控制即喷管的偏转控制则是构成矢量发动机的决定性因素，良好的推力矢量控制不仅能为运载火箭提供矢量推力，满足不同的飞行任务需求，也能进一步提升发动机工作的可靠性与稳定性。
3.现有的推力矢量控制主要是采用液压缸式控制，即通过液压泵向液压缸内注入高压液体，以高压液体推动活塞杆做直线往复运动，再通过活塞杆带动整个发动机系统偏转一定角度，从而实现液体火箭发动机推力的矢量控制。
4.该方案存在的问题是，液压泵与液压缸的体积较大、质量较重，还需要有额外的控制系统，且液压缸的做功效率低、作动精度低，因而对运载火箭的稳定飞行均造成了不利影响。
5.另外，由于整个发动机系统的自重较大即转动惯量较大，因而其转动难度较大，这就增加了液压泵与液压缸的负荷，进而影响了推力矢量控制系统的可靠性。


技术实现要素：

6.为解决上述现有难题，本实用新型一种针对现有的液压缸式推力矢量控制系统所存在的体积与质量大、做功效率与作动精度低、转动惯量大等缺陷，通过新的电机齿条式推力矢量控制方案，有效解决上述缺陷，实现良好的推力矢量控制的用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置。
7.本实用新型采取的技术方案如下：本实用新型用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置，包括喷管支架、喷管、y轴矢量推力机构、x轴矢量推力机构、推进剂泵、球铰链和推进剂喷注器，所述推进剂泵设于喷管支架上壁，推进剂泵不再参与推力矢量控制过程中的摆动，所述球铰链设于喷管支架下壁，所述推进剂喷注器设于球铰链下端，所述y轴矢量推力机构和x轴矢量推力机构设于喷管支架上，y轴矢量推力机构与x轴矢量推力机构分别设于球铰链的x轴方向和y轴方向上，y轴矢量推力机构到球铰链的长度等于x轴矢量推力机构到球铰链的长度，所述喷管设于y轴矢量推力机构与x轴矢量推力机构下端，推进剂喷注器设于喷管上端，喷管下端设有喷管出口，所述推进剂喷注器设于喷管上端，所述推进剂喷注器与推进剂泵的输出端通过管路连通，推进剂泵增压后的液体推进剂通过管路输送进入推进剂喷注器，再进入喷管进行燃烧，燃烧后生成的高温高压燃气经由喷管出口排放到外界，从而形成推力；所述y轴矢量推力机构包括y轴固定板、y轴伺服电机、y轴主动齿轮、y轴万向联轴器、y轴传动杆、y轴传动齿条和y轴传动齿轮，所述y轴固定板设于喷管支架下壁，所述y轴伺服电机设于y轴固定板上，y轴主动齿轮设于y轴伺服电机输出端，所述y轴万向联轴器
设于喷管侧壁，所述y轴传动杆一端设于y轴万向联轴器上，y轴传动杆的另一端滑动贯穿喷管支架，所述y轴传动齿轮转动设于y轴固定板上，所述y轴主动齿轮和y轴传动齿轮分别设于y轴传动杆的两侧，所述y轴传动齿条设于y轴传动杆两侧侧壁上，y轴传动齿条与y轴主动齿轮啮合，y轴传动齿条与y轴传动齿轮啮合，y轴伺服电机带动y轴主动齿轮转动，y轴主动齿轮通过y轴传动齿条带动y轴传动杆往复滑动，y轴传动杆通过侧壁y轴穿戴齿条带动y轴传动齿轮转动，y轴主动齿轮和y轴传动齿轮对y轴传动杆的传动方向进行限位，同时辅助y轴传动杆传动。
8.进一步地，所述x轴矢量推力机构包括x轴固定板、x轴伺服电机、x轴主动齿轮、x轴万向联轴器、x轴传动杆、x轴传动齿条和x轴传动齿轮，所述x轴固定板设于喷管支架下壁，所述x轴伺服电机设于x轴固定板上，x轴主动齿轮设于x轴伺服电机输出端，所述x轴万向联轴器设于喷管侧壁，所述 x轴传动杆一端设于x轴万向联轴器上，x轴传动杆的另一端滑动贯穿喷管支架，所述x轴传动齿轮转动设于x轴固定板上，所述x轴主动齿轮和x轴传动齿轮分别设于x轴传动杆的两侧，所述x轴传动齿条设于x轴传动杆两侧侧壁上，x轴传动齿条与x轴主动齿轮啮合，x轴传动齿条与x轴传动齿轮啮合， x轴伺服电机带动x轴主动齿轮转动，x轴主动齿轮通过x轴传动齿条带动x 轴传动杆往复滑动，x轴传动杆通过侧壁x轴穿戴齿条带动x轴传动齿轮转动， x轴主动齿轮和x轴传动齿轮对x轴传动杆的传动方向进行限位，同时辅助x 轴传动杆传动。
9.进一步地，喷管呈中间细两端粗的上下贯通中空腔体设置，方便形成更强的推力。
10.进一步地，所述喷管支架上设有球铰螺钉，所述球铰链通过球铰螺钉设于喷管支架下壁，球铰螺钉便于更换维修球铰链。
11.进一步地，所述喷管支架上分别设有y轴推动开关和x轴推动开关，y轴推动开关与y轴伺服电机电性连接，x轴推动开关与x轴伺服电机电性连接。
12.采用上述结构本实用新型取得的有益效果如下：本方案用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置结构简单，设计合理，操作简便，将原有的液压缸式推力矢量控制系统中的液压泵、液压缸等笨重、复杂、冗余的中间执行机构去掉，以伺服电机同时作为控制机构与执行机构，辅以简单的传动机构，再将推进剂泵单独剥离出去不再参与推力矢量控制过程中的摆动，不仅有效精简了推力矢量控制系统的结构，降低了系统质量与转动惯量，且有效提高了其控制精度与可靠性，进而可有效保证运载火箭顺利完成既定的飞行任务。
附图说明
13.图1为本实用新型用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置主视图；
14.图2为本实用新型用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置右视图；
15.图3为本实用新型用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置仰视图。
16.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：1、喷管支架，2、喷管，3、y轴矢量推力机构，4、x轴矢量推力机构，5、推进剂泵，6、球铰链，7、推进剂喷注器，8、y轴固定板，9、y轴伺服电机，10、y轴主动齿轮，11、y轴万向联轴器，12、y轴传动杆，13、y 轴传动齿条，14、y轴传动齿轮，15、y轴传动齿轮，16、x轴固定板，17、x 轴伺服电机，18、x轴主动齿轮，19、x轴万向联轴器，20、x轴传动杆，21、 x轴传动齿条，22、x轴传动齿
轮，23、x轴传动齿轮，24、球铰螺钉，25、y 轴推动开关，26、x轴推动开关，27、喷管出口。
具体实施方式
17.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
18.如图1
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3所示，本实用新型用于液体火箭发动机喷管的矢量控制装置，包括喷管支架1、喷管2、y轴矢量推力机构3、x轴矢量推力机构4、推进剂泵5、球铰链6和推进剂喷注器7，所述推进剂泵5设于喷管支架1上壁，所述球铰链 6设于喷管支架1下壁，所述推进剂喷注器7设于球铰链6下端，所述y轴矢量推力机构3和x轴矢量推力机构4设于喷管支架1上，y轴矢量推力机构3 与x轴矢量推力机构4分别设于球铰链6的x轴方向和y轴方向上，所述喷管 2设于y轴矢量推力机构3与x轴矢量推力机构4下端，推进剂喷注器7设于喷管2上端，喷管2下端设有喷管出口27，所述推进剂喷注器7设于喷管2上端，所述推进剂喷注器7与推进剂泵5的输出端连通；所述y轴矢量推力机构 3包括y轴固定板8、y轴伺服电机9、y轴主动齿轮10、y轴万向联轴器11、 y轴传动杆12、y轴传动齿条13和y轴传动齿轮14，所述y轴固定板8设于喷管支架1下壁，所述y轴伺服电机9设于y轴固定板8上，y轴主动齿轮10 设于y轴伺服电机9输出端，所述y轴万向联轴器11设于喷管2侧壁，所述y 轴传动杆12一端设于y轴万向联轴器11上，y轴传动杆12的另一端滑动贯穿喷管支架1，所述y轴传动齿轮15转动设于y轴固定板8上，所述y轴主动齿轮10和y轴传动齿轮15分别设于y轴传动杆12的两侧，所述y轴传动齿条 13设于y轴传动杆12两侧侧壁上，y轴传动齿条13与y轴主动齿轮10啮合， y轴传动齿条13与y轴传动齿轮15啮合。
19.其中，所述x轴矢量推力机构4包括x轴固定板16、x轴伺服电机17、x 轴主动齿轮18、x轴万向联轴器19、x轴传动杆20、x轴传动齿条21和x轴传动齿轮22，所述x轴固定板16设于喷管支架1下壁，所述x轴伺服电机17 设于x轴固定板16上，x轴主动齿轮18设于x轴伺服电机17输出端，所述x 轴万向联轴器19设于喷管2侧壁，所述x轴传动杆20一端设于x轴万向联轴器19上，x轴传动杆20的另一端滑动贯穿喷管支架1，所述x轴传动齿轮23 转动设于x轴固定板16上，所述x轴主动齿轮18和x轴传动齿轮23分别设于x轴传动杆20的两侧，所述x轴传动齿条21设于x轴传动杆20两侧侧壁上，x轴传动齿条21与x轴主动齿轮18啮合，x轴传动齿条21与x轴传动齿轮23啮合；喷管2呈中间细两端粗的上下贯通中空腔体设置；所述喷管支架1 上设有球铰螺钉24，所述球铰链6通过球铰螺钉24设于喷管支架1下壁；所述喷管支架1上分别设有y轴推动开关25和x轴推动开关26，y轴推动开关25 与y轴伺服电机9电性连接，x轴推动开关26与x轴伺服电机17电性连接。
20.具体使用时，喷管支架1作为整个发动机系统的基架，一方面最终连接并固定与发动机相关的所有部件，最终承受相关的所有机械力，另一方面与运载火箭箭体直接相连，将由喷管出口27处产生的发动机推力传递给火箭箭体，保证运载火箭的正常飞行；由推进剂泵5增压后的液体推进剂通过特定管路输送进入推进剂喷注器7，再进入喷管2进行燃烧，燃烧后生成的高温高压燃气经由喷管出口27排放到外界，从而形成推力；工作时，若需要进行y轴方向上的推力矢量控制，只需通过y轴推动开关25启动y轴伺服电机9，令其以既定转速
工作，则y轴伺服电机9带动y轴主动齿轮10转动，y轴主动齿轮10通过y 轴传动齿条13带动y轴传动杆12往复滑动，y轴传动杆12通过侧壁y轴传动 13齿条带动y轴传动齿轮15转动，y轴主动齿轮10与y轴传动齿轮15的共同作用下，y轴传动齿轮14与y轴传动杆12将进行直线往复运动，从而带动喷管2以球铰链6的偏转中心为基点，绕着x轴偏转一定角度，进而实现y轴方向上的单一推力矢量控制，y轴伺服电机9工作转速的大小及工作时间的长短决定了y轴传动齿轮14与y轴传动杆12直线运动距离的长短，y轴传动齿轮14与y轴传动杆12直线运动距离的长短决定了喷管2偏转角度的大小，喷管2偏转角度的大小决定了最终运载火箭所获得的矢量推力的大小，控制y轴伺服电机9的正转或反转，即可控制喷管2的顺时针偏转或逆时针偏转，从而为运载火箭提供y轴上正向或逆向的矢量推力，若需要进行x轴方向上的推力矢量控制，只需通过x轴推动开关26启动x轴伺服电机17，令其以既定转速工作，则x轴伺服电机17带动x轴主动齿轮18转动，x轴主动齿轮18通过x 轴传动齿条21带动x轴传动杆20往复滑动，x轴传动杆20通过侧壁x轴传动齿条13带动x轴传动齿轮23转动，x轴主动齿轮18与x轴传动齿轮23的共同作用下，x轴传动齿轮22与x轴传动杆20将进行直线往复运动，从而带动喷管2以球铰链6的偏转中心为基点，绕着y轴偏转一定角度，进而实现x轴方向上的单一推力矢量控制，x轴伺服电机17工作转速的大小及工作时间的长短决定了x轴传动齿轮22与x轴传动杆20直线运动距离的长短，x轴传动齿轮22与x轴传动杆20直线运动距离的长短决定了喷管2偏转角度的大小，喷管2偏转角度的大小决定了最终运载火箭所获得的矢量推力的大小，控制x轴伺服电机17的正转或反转，即可控制喷管2的顺时针偏转或逆时针偏转，从而为运载火箭提供x轴上正向或逆向的矢量推力，另外，由于y轴万向联轴器11、 x轴万向联轴器19以及球铰链6的存在，喷管2既可单独作y轴或x轴其中之一方向上的偏转，也可同时作y轴与x轴两个方向上的偏转。
21.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
22.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。