馬紅鵬，吳會(huì)強(qiáng)，張宏劍，曹熙煒，蔣亮亮，樂 晨

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭是航天運(yùn)輸領(lǐng)域的主要運(yùn)載工具，能夠體現(xiàn)一個(gè)國家航天運(yùn)輸?shù)木C合實(shí)力[1-2]。運(yùn)載火箭多功能化發(fā)展對(duì)機(jī)構(gòu)技術(shù)提出新的需求與挑戰(zhàn)，如整流罩、星箭、級(jí)間、助推等分離機(jī)構(gòu)將由傳統(tǒng)火工分離裝置向氣、電、液等新型分離機(jī)構(gòu)發(fā)展[3]。由此可見，機(jī)構(gòu)技術(shù)是運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)多功能化發(fā)展的重要支撐技術(shù)，運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)相較于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)在高可靠、高輕質(zhì)、高適應(yīng)、高效率等方面面臨更大的挑戰(zhàn)[4]。隨著運(yùn)載火箭復(fù)用化、智能化與航班化發(fā)展，機(jī)構(gòu)需要更加多樣化的能源、產(chǎn)品、智能設(shè)計(jì)及總體耦合設(shè)計(jì)[5]。

運(yùn)載火箭常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管一般為固定長(zhǎng)度和固定擴(kuò)張比結(jié)構(gòu)，相比一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，二、三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)因噴管外部工作環(huán)境壓強(qiáng)的降低，通常設(shè)計(jì)更大的擴(kuò)張比，同時(shí)在保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求下，盡量縮短整個(gè)箭體長(zhǎng)度以適應(yīng)運(yùn)輸和發(fā)射平臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作前最小長(zhǎng)度與工作時(shí)最大推沖比的主要技術(shù)途徑?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)最早應(yīng)用于大型固體運(yùn)載火箭，旨在一定箭體長(zhǎng)度內(nèi)利用現(xiàn)有級(jí)間段包絡(luò)空間，最大限度地對(duì)二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)外部環(huán)境變化而適應(yīng)性提高其輸出比沖和效率。

本文首先對(duì)國外噴管變形機(jī)構(gòu)發(fā)展技術(shù)進(jìn)行研究，分析了國外典型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)的組成、原理、功能及特點(diǎn)等；其次對(duì)噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行研究和對(duì)比分析；最后提出發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展建議。

1 國內(nèi)外噴管變形機(jī)構(gòu)發(fā)展研究

1.1 變形機(jī)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展

運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)在級(jí)間分離前應(yīng)可靠收攏鎖定于基礎(chǔ)噴管四周，級(jí)間分離后應(yīng)可靠迅速展開并鎖定，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。半個(gè)世紀(jì)以來，國外已將噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于許多先進(jìn)的導(dǎo)彈和火箭的二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，典型應(yīng)用情況見表1。

美國從20世紀(jì)60年代開始研究噴管延伸變形技術(shù)，形成了以RL-10A/B氫氧液體發(fā)動(dòng)機(jī)、MX導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)等為代表的典型應(yīng)用產(chǎn)品。MX導(dǎo)彈其二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)都為噴管變形機(jī)構(gòu)。二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形后，噴管擴(kuò)張比由33∶1提高至57∶1；三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形后，噴管擴(kuò)張比由24∶1提高至67.5∶1，可使總比沖提高5.6%[6]。普惠公司的RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)在Atlas IIA半人馬上面級(jí)的應(yīng)用為噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次飛行驗(yàn)證。此發(fā)動(dòng)機(jī)為閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力為9.4 t、比沖為449 s、擴(kuò)張比為84∶1[7]。

俄羅斯研究了分別用于N1火箭和天頂III火箭的D-57、RD-58M液體發(fā)動(dòng)機(jī)。D-57液體火箭發(fā)動(dòng)噴管機(jī)采用C/C復(fù)合材料，變形后噴管擴(kuò)張比高達(dá)170∶1，噴管變形機(jī)構(gòu)附加增質(zhì)115 kg，安裝長(zhǎng)度減小40%，并將比沖增加至461 s，共進(jìn)行了7次點(diǎn)火測(cè)試，總持續(xù)時(shí)間為1 459 s。RD-58M液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)則通過了整個(gè)地面點(diǎn)火測(cè)試，在天頂-III發(fā)射中得到飛行驗(yàn)證[7]。

日本在噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基于三菱重工與波音公司關(guān)于MB-XX項(xiàng)目的合作，該項(xiàng)目旨在開發(fā)一種高性能上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，作為RL10的替代。日本JAXA還對(duì)LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴管變形機(jī)構(gòu)研究，進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)[8]。

歐洲在1989年開發(fā)了HM-7B噴管變形機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)[9]，作為HM-7的改進(jìn)型，計(jì)劃用于Ariane 5上面級(jí)，但該產(chǎn)品一直沒有實(shí)現(xiàn)，后來轉(zhuǎn)為合作開發(fā)Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目[10]。

在國內(nèi)，航天科技四院41所尤軍鋒等[11]提出了一種可拋式雙級(jí)延伸噴管變形機(jī)構(gòu)，噴管擴(kuò)張比從40∶1增加至65∶1，能有效增加約10%射程；北航閻德元等[12]建立了雙級(jí)延伸噴管動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型，確定了氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)、放氣時(shí)間與延伸噴管運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。

由表1可知：

1)液體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)均為單級(jí)錐構(gòu)型方案，部分單級(jí)錐構(gòu)型為兩個(gè)錐作拼接一體化設(shè)計(jì)；固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)有單級(jí)錐、雙級(jí)錐兩種方案。

2)噴管變形機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能源有電機(jī)、燃?xì)獍l(fā)生器兩種，單級(jí)錐構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)能源大多為電機(jī)，雙級(jí)錐構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)能源為燃?xì)獍l(fā)生器。

3)以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)能源的噴管變形機(jī)構(gòu)導(dǎo)向功能均由滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，以燃?xì)?冷氣為驅(qū)動(dòng)能源的噴管變形機(jī)構(gòu)導(dǎo)向功能由作動(dòng)筒或滑動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)。

4)以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)能源的噴管變形機(jī)構(gòu)傳動(dòng)功能有齒輪箱+柔性轉(zhuǎn)軸和齒輪+傳動(dòng)帶兩種方式實(shí)現(xiàn)，以燃?xì)?冷氣為驅(qū)動(dòng)能源的噴管變形機(jī)構(gòu)傳動(dòng)功能由滑動(dòng)導(dǎo)軌或作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)。

5)單級(jí)錐構(gòu)型的鎖定功能一般由自鎖片實(shí)現(xiàn)，雙級(jí)錐構(gòu)型的鎖定功能由作動(dòng)筒內(nèi)部設(shè)置的自鎖裝置實(shí)現(xiàn)。

1.2 典型噴管變形機(jī)構(gòu)方案分析

下面對(duì)典型噴管變形機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行分析，固體發(fā)動(dòng)機(jī)以MX三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，液體發(fā)動(dòng)機(jī)以RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)為例，進(jìn)行機(jī)構(gòu)組成、原理、功能及設(shè)計(jì)特點(diǎn)等分析。

1.2.1 MX三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)

(1)組成及原理

如圖1所示，MX三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)由作動(dòng)筒、一級(jí)錐、二級(jí)錐、連接支耳等組成。4個(gè)作動(dòng)筒周向均布，每個(gè)作動(dòng)筒設(shè)有連接支耳，分別與一、二級(jí)錐及基礎(chǔ)錐相連。采用1個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器帶動(dòng)4個(gè)作動(dòng)筒的方式，提供噴管變形的動(dòng)力，采用歧管、節(jié)流孔、減壓閥來控制燃?xì)鈮毫土髁浚M可能均勻地對(duì)4個(gè)作動(dòng)筒供氣。

圖1 MX三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)組成Fig.1 Composition of MX three-stage engine extendable nozzle mechanism

作動(dòng)筒作為噴管變形機(jī)構(gòu)重要部件，由同步解鎖裝置、固定軸套、調(diào)節(jié)止動(dòng)器、止擋釋放件、軸鎖、繩索調(diào)節(jié)部件、繩索固定器、動(dòng)滑輪裝置、軸套等組成，具體見圖2。

圖2 MX三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒[8]Fig.2 MX three-stage engine extendable nozzle actuator[8]

作動(dòng)筒的工作原理為：

1)由同步解鎖裝置實(shí)現(xiàn)同步解鎖。

2)燃?xì)怛?qū)動(dòng)外筒向外展開的同時(shí)，由于外筒與中筒之間的動(dòng)滑輪系統(tǒng)作用，中筒也跟隨外筒一起向外展開。

3)當(dāng)一級(jí)錐、二級(jí)錐展開到位后，靠作動(dòng)筒內(nèi)部自鎖裝置進(jìn)行鎖定，同時(shí)作動(dòng)筒內(nèi)部燃?xì)鈮毫M(jìn)一步提高，保證各級(jí)錐到位鎖定的可靠性。

綜上，MX三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理如圖3所示，周向均布的4個(gè)作動(dòng)筒分別設(shè)置3處鉸接連接支座與基礎(chǔ)錐、一級(jí)錐、二級(jí)錐進(jìn)行連接，從而限制一、二級(jí)錐只有平移運(yùn)動(dòng)一個(gè)自由度。燃?xì)膺M(jìn)入作動(dòng)筒后，使作動(dòng)筒展開。作動(dòng)筒展開過程中整體圍繞基礎(chǔ)錐連接支座作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一、二級(jí)錐隨作動(dòng)筒旋轉(zhuǎn)作延伸平移，一、二級(jí)錐平移到位后由作動(dòng)筒內(nèi)部自鎖裝置進(jìn)行鎖定，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的變形。

圖3 MX三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)原理Fig.3 Principle of MX three-stage engine extendable nozzle mechanism

(2)功能及設(shè)計(jì)

MX三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)功能要求及設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

1)初始鎖定：由作動(dòng)筒內(nèi)部設(shè)計(jì)同步解鎖裝置實(shí)現(xiàn)，同步解鎖裝置可設(shè)計(jì)為燃?xì)鈿怛?qū)解鎖機(jī)構(gòu)，4個(gè)作動(dòng)筒的解鎖裝置的供氣時(shí)間和供氣量可由歧管、節(jié)流孔、減壓閥等實(shí)現(xiàn)精確控制，以實(shí)現(xiàn)較好的解鎖同步性控制。

2)展開導(dǎo)向：由4個(gè)周向均布作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)，周向90°偏角均布的作動(dòng)筒+作動(dòng)筒內(nèi)部動(dòng)滑輪裝置可約束一、二級(jí)錐僅能沿軸向作平移運(yùn)動(dòng)，較好實(shí)現(xiàn)展開過程的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。

3)到位鎖定：由作動(dòng)筒內(nèi)部設(shè)置自鎖裝置實(shí)現(xiàn)，自鎖裝置可設(shè)計(jì)為卡爪等具有止退功能的結(jié)構(gòu)形式。

1.2.2 RL-10B-2液體發(fā)動(dòng)機(jī)變形機(jī)構(gòu)

(1)組成及原理

如圖4所示，RL-10B-2液體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)由1個(gè)電機(jī)、3套同步齒輪+滾珠絲杠、1個(gè)凱夫拉傳動(dòng)帶、3套支撐桿、一級(jí)錐(B錐)、二級(jí)錐(C錐)、自鎖片、防熱罩等組成。其中，B錐與C錐為一體式設(shè)計(jì)，材料為C/C；B錐前沿與C錐后沿均設(shè)置金屬材料強(qiáng)化環(huán)，用于連接與提高強(qiáng)度。

圖4 RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)組成Fig.4 Composition of RL-10B-2 engine extendable nozzle mechanism

如圖5所示，每級(jí)環(huán)錐內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)環(huán)狀凸塊，用于展開到位后與自鎖片前端凹槽進(jìn)行匹配，環(huán)錐靠自鎖片與環(huán)狀凸塊頂住鎖定，同時(shí)為減小到位鎖定的沖擊，設(shè)置橡膠減振墊用于緩沖。

圖5 RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)剖面示意Fig.5 Cross-section of RL-10B-2 engine extendable nozzle mechanism

參考圖4和圖5，變形機(jī)構(gòu)工作原理如下：

1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步齒輪，3套滾珠絲杠靠同一根凱夫拉傳動(dòng)帶實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)B錐滑塊向展開方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)至一定位置時(shí)，B錐內(nèi)側(cè)凸塊進(jìn)入A錐自鎖片前端凹槽，此時(shí)，B/C錐完成到位鎖定。

3)到位鎖定時(shí)刻，B錐內(nèi)側(cè)凸塊撞擊自鎖片前端，凹槽側(cè)面的減振墊實(shí)現(xiàn)到位沖擊的緩沖。

(2)功能及設(shè)計(jì)

RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)功能及設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

1)初始鎖定：電機(jī)與滾珠絲杠在不通電狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)初始鎖定。

2)展開導(dǎo)向：由3個(gè)周向均布滾珠絲杠與對(duì)應(yīng)的支撐桿實(shí)現(xiàn)展開過程的運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)向控制。

3)到位鎖定：由多個(gè)周向均布的自鎖片進(jìn)行到位鎖定，一級(jí)錐前端設(shè)置凸塊與基礎(chǔ)錐上的自鎖片前端凹槽匹配進(jìn)行到位鎖定。

4)到位緩沖：自鎖片前端凹槽設(shè)置橡膠材料減振墊用于到位緩沖。

1.2.3 小結(jié)

通過以上分析，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1)功能：噴管變形機(jī)構(gòu)需設(shè)計(jì)初始鎖定、展開導(dǎo)向、到位鎖定、緩沖、防熱等功能。

2)方案：由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)一般先點(diǎn)火后實(shí)現(xiàn)噴管變形，多采用能量密度大、作動(dòng)時(shí)間短的燃?xì)鈿怛?qū)能源形式。另外，為提高能源使用效率，減少布局所占空間，多采用1個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器帶動(dòng)4個(gè)作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)方案；而對(duì)于液體發(fā)動(dòng)機(jī)，多為上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用先噴管變形后點(diǎn)火的方式，一般選用到位沖擊小、作動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)電機(jī)電驅(qū)能源形式，由1個(gè)電機(jī)帶動(dòng)3套滾珠絲杠傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案。

3)同步性：氣驅(qū)作動(dòng)能源形式一般設(shè)計(jì)歧管、節(jié)流孔、減壓閥等燃?xì)鈮毫土髁靠刂平M件，對(duì)多個(gè)作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)均勻供氣，以保證較好的展開同步性；電驅(qū)作動(dòng)能源形式一般設(shè)計(jì)同步齒輪裝置實(shí)現(xiàn)提高展開同步性。

4)橫向載荷適應(yīng)性：考慮整個(gè)展開過程機(jī)構(gòu)變形帶來的展開可靠性問題，一般設(shè)計(jì)3套以上展開導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，或設(shè)置支撐桿等結(jié)構(gòu)用于輔助提高機(jī)構(gòu)剛度與強(qiáng)度。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究

基于以上關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)功能、方案、同步性、橫向載荷適應(yīng)性等設(shè)計(jì)要求的分析，下面從機(jī)構(gòu)功能要求、機(jī)構(gòu)約束條件出發(fā)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究。

2.1 機(jī)構(gòu)功能要求分析

根據(jù)噴管變形機(jī)構(gòu)增大擴(kuò)張比、縮小整個(gè)級(jí)間長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)要求，確定如下功能。

1)初始鎖定：變形機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)初始鎖定組件，保證在級(jí)間分離前，可靠鎖定基礎(chǔ)錐與一、二級(jí)錐。

2)導(dǎo)向傳動(dòng)：變形機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)向傳動(dòng)組件，保證在噴管可靠展開和導(dǎo)向到位。

3)到位鎖定：變形機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)到位鎖定組件，保證在噴管展開到位后可靠鎖定并保持。

4)緩沖：變形機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮降低到位鎖定沖擊。

5)高熱承載：變形機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行防熱承載設(shè)計(jì)，能夠承受整個(gè)工作剖面中力熱環(huán)境的影響。

2.2 機(jī)構(gòu)約束條件分析

噴管變形機(jī)構(gòu)的邊界約束條件一般有。

1)性能要求：含展開到位時(shí)間、展開到位沖擊等。

2)能源要求：用于規(guī)定或設(shè)計(jì)展開能源。

3)包絡(luò)要求：含最大徑向包絡(luò)尺寸、最大軸向包絡(luò)尺寸。

4)防熱密封：含整個(gè)工作剖面熱環(huán)境及噴管密封要求。

5)總質(zhì)要求：用于規(guī)定機(jī)構(gòu)總質(zhì)量。

2.3 機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究

采取平面簡(jiǎn)化等效模型進(jìn)行噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析。平面內(nèi)單個(gè)零件的自由度為2個(gè)移動(dòng)和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)三自由度平面空間變形機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合研究，解除與固體發(fā)動(dòng)機(jī)之間連接的約束，可得平面四自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈要滿足[14]

(1)

式中，x為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈中構(gòu)件數(shù)，機(jī)構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)采取頂點(diǎn)數(shù)表示；y為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，機(jī)構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)采取邊數(shù)描述；xi為具有i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件，i=1，2，3等，該構(gòu)件稱為i副構(gòu)件；f為機(jī)構(gòu)自由度數(shù)。

由機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)和圖論理論[15]可得

(2)

式中，v為機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D中基本回路數(shù)。

采用機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D對(duì)噴管變形機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，拓?fù)鋱D中每個(gè)頂點(diǎn)表示機(jī)構(gòu)元件，每條邊表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。綜合公式(1)、公式(2)可得圖6的機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D，滿足機(jī)構(gòu)的單回路拓?fù)鋱Dv=1僅存在一種拓?fù)湫问?，雙回路拓?fù)湫问絭=2有2種。單回路由4個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與4個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成，雙回路需6個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件+7個(gè)運(yùn)動(dòng)副或7個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件+8個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成。本文只考慮環(huán)數(shù)為v=1的機(jī)構(gòu)單回路拓?fù)浞桨浮?/p>

圖6 機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.6 Mechanism topology

對(duì)4構(gòu)件4運(yùn)動(dòng)副組成的單回路機(jī)構(gòu)中采用運(yùn)動(dòng)副的形式以低副優(yōu)先，主要有轉(zhuǎn)動(dòng)副(R)與移動(dòng)副(T)兩種形式，基礎(chǔ)錐具備擺動(dòng)功能，基礎(chǔ)錐與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體二者之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，記為R；二級(jí)錐因需具備與基礎(chǔ)錐跟隨擺動(dòng)功能，其與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體之間不進(jìn)行連接，對(duì)應(yīng)記為N。依此進(jìn)行基礎(chǔ)錐、一級(jí)錐、二級(jí)錐三者間運(yùn)動(dòng)副的窮舉，噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型如圖7所示，總計(jì)有4種機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，分別為轉(zhuǎn)動(dòng)副+轉(zhuǎn)動(dòng)副(R+R)、轉(zhuǎn)動(dòng)副+移動(dòng)副(R+T)、移動(dòng)副+轉(zhuǎn)動(dòng)副(T+R)、移動(dòng)副+移動(dòng)副(T+T)。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)副+移動(dòng)副(R+T)、移動(dòng)副+轉(zhuǎn)動(dòng)副(T+R)也稱為混合副。

圖7 噴管變形機(jī)構(gòu)型綜合分析Fig.7 Type synthesis of nozzle morphing mechanism

3 噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)比分析

通過對(duì)噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析，可分為轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副與混合副3種噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型。其中，對(duì)于一、二級(jí)錐，如采用移動(dòng)副則噴管可設(shè)計(jì)為整體環(huán)錐形式；如采用旋轉(zhuǎn)副，需要噴管設(shè)計(jì)為多瓣(片)搭接的形式。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)和機(jī)構(gòu)原理圖如表2所示。

表2 噴管變形機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)比

分值依據(jù)說明：成熟度-考慮研制試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等綜合得出；擴(kuò)張比-考慮雙級(jí)錐為單級(jí)錐的2倍；空間性-考慮包絡(luò)空間尺寸確定；密封性-考慮搭接區(qū)域密封方案要求進(jìn)行確定；可靠性-考慮構(gòu)型方案、研制試驗(yàn)、飛行應(yīng)用成功率等得出。

下面從成熟度、擴(kuò)張比、空間性、密封性、可靠性等5個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)比打分，分值范圍0～10，越高表明構(gòu)型方案越有優(yōu)勢(shì)，維度與分值依據(jù)說明見表注。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，基于移動(dòng)副組成的噴管變形機(jī)構(gòu)剛度較好、可靠性較高，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

由表2可得到如下結(jié)論：

1)單級(jí)變形機(jī)構(gòu)相對(duì)雙級(jí)技術(shù)成熟度高，技術(shù)難度相對(duì)較低。

2)相比單級(jí)變形機(jī)構(gòu)，雙級(jí)變形機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)更大的噴管擴(kuò)張比。

3)在同一包絡(luò)下，移動(dòng)副方案比轉(zhuǎn)動(dòng)副方案具有更好的收攏折疊空間性，可降低對(duì)級(jí)間段內(nèi)部空間要求。

4)移動(dòng)副方案整體環(huán)向剛度較高，對(duì)應(yīng)密封區(qū)域僅需考慮軸向?qū)?yīng)搭接環(huán)向區(qū)域。轉(zhuǎn)動(dòng)副方案整體環(huán)向連接性較差，環(huán)向剛度還需進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)，同時(shí)密封區(qū)域相對(duì)移動(dòng)副環(huán)向搭接區(qū)外，還需考慮軸向搭接區(qū)。

5)移動(dòng)副構(gòu)型方案簡(jiǎn)單，單級(jí)錐/雙級(jí)錐的移動(dòng)副噴管結(jié)構(gòu)均為整體設(shè)計(jì)，環(huán)向剛度較好，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副方案，具有更高的可靠性。

6)單級(jí)噴管變形機(jī)構(gòu)移動(dòng)副方案優(yōu)于轉(zhuǎn)動(dòng)副方案，雙級(jí)噴管變形機(jī)構(gòu)雙移動(dòng)副方案優(yōu)于混合副方案，雙轉(zhuǎn)動(dòng)副方案整體性能最差。

4 啟示與建議

通過對(duì)國內(nèi)外運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)變形機(jī)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行研究分析。以MX三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)、RL-10B液體發(fā)動(dòng)機(jī)為典型案例，對(duì)相關(guān)噴管變形機(jī)構(gòu)組成、原理、功能及設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析及總結(jié)；對(duì)噴管變形機(jī)構(gòu)型綜合設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，得出其功能要求、設(shè)計(jì)約束、構(gòu)型分析等；最后對(duì)各機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析。噴管變形機(jī)構(gòu)通過不同能源形式及運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，以適應(yīng)噴管變形的功能需求與實(shí)際使用環(huán)境。噴管變形機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的啟示及建議如下：

1)噴管變形機(jī)構(gòu)是提升運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)張比等性能的重要技術(shù)途徑，是提高運(yùn)載能力與功能多樣化的重要支撐技術(shù)。

2)噴管變形機(jī)構(gòu)需滿足初始鎖定、導(dǎo)向傳動(dòng)、到位鎖定、緩沖、高熱承載等5大功能需求，是較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，功能集成設(shè)計(jì)是進(jìn)一步提升產(chǎn)品效率與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，可借鑒MX噴管變形機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒采用的集初始鎖定、展開導(dǎo)向、到位鎖定等多功能一體化的設(shè)計(jì)技術(shù)。

3)噴管變形機(jī)構(gòu)不論單級(jí)錐或多級(jí)錐變形，均含有單自由度、長(zhǎng)行程等特點(diǎn)，對(duì)于液體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管先變形后點(diǎn)火的較寬裕時(shí)序要求，適合電機(jī)+滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式；而對(duì)于固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管先點(diǎn)火后變形的較嚴(yán)時(shí)序要求，則適合采取高壓氣體能源驅(qū)動(dòng)，其中對(duì)于短期服役冷氣優(yōu)于燃?xì)狻?/p>

4)噴管變形機(jī)構(gòu)移動(dòng)副方案優(yōu)于轉(zhuǎn)動(dòng)副方案，具有結(jié)構(gòu)剛度好、可靠性高、易于密封等優(yōu)點(diǎn)。

5)噴管變形機(jī)構(gòu)變形過程應(yīng)綜合考慮點(diǎn)火與展開時(shí)序、到位沖擊等進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，如上面級(jí)使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管變形機(jī)構(gòu)，采用電驅(qū)能源+滾珠絲杠的展開方式，盡量降低到位沖擊對(duì)有效載荷和姿態(tài)控制的影響。