推力矢量舵机的受力分析及其模拟实现.pdf

河南科技大学硕士学位论文推力矢量舵机的受力分析及其模拟实现姓名：余成林申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制应用指导教师：张安年;杜长宝20080501摘 要 I 论文题目论文题目推力矢量舵机的受力分析及其模拟实现 推力矢量舵机的受力分析及其模拟实现 专 业专 业控制理论与控制工程 控制理论与控制工程 研 究 生研 究 生余成林 余成林 指导教师指导教师张安年 教授 张安年 教授 杜长宝 高级工程师 杜长宝 高级工程师 摘 要 摘 要 从上世纪七十年代末开始至今随着空战的需要和技术的进步使用推力矢量控制技术(TVC)已经成为第四代空空导弹的一个重要特征目前大多数现役和在研的空空导弹上都是使用燃气舵来实现推力矢量的控制将燃气舵用在固体火箭发动机上进行推力矢量控制具有结构紧凑被操纵力矩小响应快控制效率较高可实现滚动控制等特点 在大量的试验基础上本文首先进行推力矢量燃气舵受力分析论述了推力矢量燃气舵和弹体间的相互作用关系推出了两种坐标下的力相互转换的转换矩阵并应用该转换矩阵推导出燃气舵坐标系下的驱动铰链力矩 空空导弹对各构成组件的尺寸重量要求极严采用燃气舵推力矢量控制技术时驱动燃气舵的舵机系统应具有大扭矩小体积特点针对这一要求本研究开展相关的研究工作通过数值仿真的方法确定燃气舵面在工作状态下受到的力矩设计相应的负载模拟加载系统并对舵机系统进行大量模拟试验以验证舵机系统在受到燃气舵力和力矩综合作用下的正确性针对推力矢量舵机的受力情况提出了其模拟实现的初步方案 本文给出了弹体和舵片两者间力和力矩的相互关系及其转换矩阵该转换方法对于在试验条件下将弹体坐标系下所受的力和力矩转化成燃气舵受力提供了理论参考模拟系统的设计验证了燃气舵受力分析的正确性并对于在实验室条件下进行推力矢量舵机的负载模拟试验提供了测试装备 关 键 词关 键 词推力矢量燃气舵模拟实现 论文类型论文类型应用基础研究 摘要 II Subject: The Analysis and Simulation of The ET Vane of Thrust- Vector Specialty: Control Theory and Control Engineering Name: Yu Cheng Lin Supervisor: Zhang An-Nian Professor Du Chang Bao High-grade Engineer ABSTRACT With the needs of ATAM and the progress of technology, the TVC has been an important characteristic for the forth air to air missile from 1970’s .And now, most ATAM ,most of which have been active service for the army or have been studied for years ,have been controlled by the thrust vector et vaneBeing used on the solid missile engine the et vane realize TVC and have the traits of fine structure and little manipulationmoment and fast responsehigh control efficiencyrealizing rolling control and so on Based on the plenty of experimentationthe thesisfirstlyanalyze the force of the thrust vector et vanethen discuss the relation of the force and the moment between the et vane and the missileand deduced the matrix which will be used as the transmitted matrixand deduced the driving gamed moment in the vane coordinate. ATAM is strict not only to the size of discreteness, but also to the degree of weight. When we use et vane to realize TVC, the helm engine system, which drive the et vane, shall have the trait of large moment and small volume. To satisfy with the request, by value imitationwind tunnel and ignition experimentationwe made a lot of related research to confirm the et vane’s moment while workingand bring forward the principium of the simulation for the er vane’s force. We give the relation of the force and the moment with the missile and the vane, which provided the guidance to transmit them into the et vane’s coordination, the simulation system prove what we analyzed is perfectly right, and point out how to design the et vane’s simulation in the term of experimentation. For choosing appropriate moment machine to furnish ATAM, it has practical significance. KEY WORDS: Thrust-vector, et vane, simulation Dissertation Type: Application and basic research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 论文的选题背景和意义 论文的选题背景和意义 空空导弹从上个世纪初开始发展到现在已经经历了大半个世纪了随着空中目标性能的不断提高空战战术的不断发展以及各种新理论新技术新材料在空空导弹设计制作中的不断应用空空导弹技术获得了迅速的发展同时它又随着战争需求的变化和科技技术的进步而不断发展[1]空空导弹的发展异常迅速由最初的无制导火箭弹发展到现在的制导方式多样化远中近距系列化和海陆空三军通用化的空空导弹家族现在已经成为世界各国空军的主要机载武器在现代空战中起着至关重要的作用到目前为止世界各国已经研制了近百种各种型号的空空导弹[2]随着空战的需要和技术的进步从上世纪七十年代末开始至今使用推力矢量控制技术被作为第四代空空导弹的一个重要特征[3]作为推力矢量控制的燃气舵最早用在液体火箭发动机上后来广泛应用于地地地空舰舰等战术固体垂直发射导弹的固体发动机上目前大多数现役和在研的空空导弹上都是使用燃气舵来实现推力矢量的控制[4]将燃气舵用在固体火箭发动机上进行推力矢量控制具有结构紧凑被操纵力矩小响应快控制效率较高可实现滚动控制等特点 推力矢量的巨大效益引起了世界各国的注意自 80 年代后期不仅世界航空发达国家就连印度以色列日本韩国瑞典等国甚至台湾地区也都竞相研究推力矢量技术并作为重要技术优先发展[5]推力矢量技术是一项高新技术涉及发动机控制空气动力学飞行力学等多学科多专业是一项复杂的系统工程具有高效益但需要高投入我国是一个航空不发达国家同时又是发展中国家为缩短与世界航空先进水平的差距必须选择合适的突破口将推力矢量技术作为重要技术优先发展本课题的研究意义在于通过实验研究对推力矢量舵机的受力情况进行分析在此基础上提出在实验室条件下对其受力进行模拟实现的技术方案为该型舵机的性能提供测试装备 1.2 推力矢量控制技术的国内外发展概况 推力矢量控制技术的国内外发展概况 推力矢量控制技术自身具备的独特优势可以大大提高空空导弹的综合性能世界各国对推力矢量控制技术都进行了大量的深入的专门研究该技术河南科技大学硕士学位论文 2 在国外已渐趋成熟推力矢量控制系统已大量应用在先进的空空导弹上部分导弹等已进入现役[6]在现阶段世界上先进的空空导弹采用推力矢量/气动力复合控制的形式较为成熟已有多种在研或现役型号出现[7]下面按时间发展顺序将其中较为典型的几种型号进行简单介绍 1.俄罗斯 R-73 导弹 该导弹是世界上最早将推力矢量技术应用到空空导弹上的型号产品由维姆佩尔公司研制射程 30km使用固体燃料发动机发动机的喷口处安装了两套扰流板与导弹的前部具有的 4 片稳定翼和 4 片矩形安定翼以及尾部的 4 片尾翼一起对导弹实施矢量控制导弹的机动能力获得大幅提升可机动攻击目标[8]R-73 采用惯性制导末制导由 MK80 红外导引头负责导引头使用液氮制冷锑化铟探测器可以在发射之前锁定目标导弹即可以从飞机上的雷达或红外跟踪设备中获得数据导弹具有离轴发射能力即可以攻击飞机侧面的目标R-73 最初型号的立轴发射角为045增强型到060其外型示意图见图 1-1 图 1-1 P-73 导弹外型图 Fig.1-1 The picture of P-73 missile 2.美国 AIM-9X 导弹 在发现 R-73 非同寻常的性能之后美国军方开始关注格斗导弹的发展并于 1996 年与制造商签定了研制 AIM-9X 的合同为降低成本节省时间决定使用 AIM-9响尾蛇现有的一些部件如发动机引信和战斗部[9]AIM-9X 导弹的特点为十字前翼和尾翼要比现有响尾蛇的小使用推力矢量技术发动机的喷口处有舵片导弹的机动能力优异导引头使用第 1 章 绪论 3 128*128 元焦平面阵列成像具有更加先进的抗红外对抗措施离轴角达到090可以越肩发射即向后方目标瞄准发射导弹高度机动几乎能够瞬间转弯0180联合头盔显示系统可以用图显示开火范围显示导弹可以有效发挥作用的时机从而减少无效发射[10]其外形示意图见图 1-2 图 1-2 AIM-9X 导弹外形示。