基于液压阻力控制网络的液压作动器自动回中方法基础研究

The thrust vector control (TVC) system is the key to the stability of launch vehicle. For the next generation launch vehicle with parallel configuration of engines, the failure of launch vehicle can be avoided if the actuator can move to the zero position quickly after the malfunction of TVC system. However, at present, the research ideas and technical solutions of auto-centering system must use the auxiliary oil sources, sensors, actuators and controller. The system will be too complicated to be applied in launch vehicle field. Therefore, in this study, a novel auto-centering system is proposed based on the principle of fluid resistance network, which using the essence characteristic between the pressure and the flow rate of hydraulic system. The auto-centering system can be simplified mostly. In this study, according to the characteristic and the mathematical describption of fluid resistance network under the constriction of the requirement of simplest configuration, the coupling rule between flow resistance network and actuator, and its regulation and control methods, the principle of auto-centering system, the steady and dynamic characteristics of coupling system are studied systematically. The matching and optimizing methods of fluid resistance network are proposed. And the performance of TVC system is evaluated by some tests. At last, the basic design methods of auto-centering hydraulic actuator with simplest configuration can be established.

运载火箭发动机喷管的推力矢量控制（TVC）系统是运载火箭稳定控制的关键执行机构，对于多发动机并联的新一代运载火箭，在系统故障后能够实现作动器的快速精确回中可以有效避免火箭失控的后果，显著提高其可靠性。但目前自动回中的研究思路与技术方案仍然依赖于备用油源、传感器、执行器与控制器等，系统过于复杂无法应用于航天领域。因而，本项目基于液阻网络原理，提出了一种利用液压系统所蕴含的本质压力-流量特性的自动回中方法，实现了回中系统组成的最简化。本项目针对最简约束条件下的液阻网络特征与数学描述、液阻网络与作动器耦合规律及其调控方式等关键问题，从液压系统的基本特性规律出发，有序开展自动回中机理、耦合系统稳态与动态特性研究，提出了液阻网络的匹配优化方法，结合地面实验开展自动回中对TVC系统的性能影响评估，基本形成具有最简单回中结构的新型液压作动器自动回中设计方法体系。

运载火箭推力矢量控制系统在故障后需要紧急回中，而目前现有的回中执行机构需要使用备用油源、传感器、执行器与控制器等多个部组件构成，系统庞大冗余且复杂，不适合应用于航天领域，针对这一需求与问题，本项目提出一种基于液阻网络原理的新型壁孔回中式液压作动器，无需控制系统控制、无需辅助作动器提供外力即可实现作动器的自动回中。本项目针对新型液压作动器进行基于液阻网络原理的机理研究，并进行系统建模与仿真分析，初步设计新型液压作动器关键参数，通过仿真分析获得14mm为回中孔的最佳直径，将回中孔分为多个小孔圆孔更有利于减小活塞损伤；针对液压作动器原理样机开展性能测试试验，试验结果表明新型液压作动器原理样机性能良好，满足设计要求；同时通过对比试验，发现回中孔为直径小、数量多的圆型小孔回中速度更快，对活塞密封圈损伤更小，有利于提高液压作动器使用寿命。本项目研究表明自动回中式液压作动器方案可行，回中孔有效面积为153mm2，分为多个直径不大于2mm的小圆孔更有利于提高作动器回中速度，提高密封圈使用寿命。本研究结果对新型运载火箭高可靠性推力矢量控制系统的研制具有一定的指导意义与参考价值，同时相关研究成果还可以用于航空、兵器、工程机械等对紧急回中有需求的应用场合