一种以低温氢气为能源的三冗余数字式双摆伺服系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于伺服系统领域，具体涉及一种运载火箭液氢液氧发动机推力矢量控制用多余度阀控伺服机构。
【背景技术】
[0002]伺服系统是我国对运载火箭飞行控制执行机构子系统的统称，典型应用是摇摆发动机实施推力矢量控制。液氢液氧火箭发动机作为航天运载工具有着它独特的优点:能量高，比冲值可达420s以上，有利于大幅度提高有效载荷，且无毒、来源丰富，是一种常用运载火箭发动机。相应地，摇摆液氢液氧发动机的伺服机构也是必备箭上设备。由于功率较大(千瓦至数十千瓦级)，如何解决其能源问题成为此类伺服机构技术方案的一个关键问题；另一方面，如用于载人运载火箭，伺服机构可靠性指标要求又特别高，可靠性设计成为关键问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种以低温氢气为能源的三冗余数字式双摆伺服系统，该伺服系统高度集成、可靠性高，能够方便实现地面测试和天地能源切换、具备冷起控能力。
[0004]为解决上述技术问题，本发明一种以低温氢气为能源的三冗余数字式双摆伺服系统，该系统包括第一伺服机构、第二伺服机构和三余度控制器，第一伺服机构的低压自封端与第二伺服机构的低压自封端连接；第一伺服机构的高压自封端与第二伺服机构的高压自封端连接；第一伺服机构、第二伺服机构的的输出端均与三余度控制器输入端连接；第一伺服机构、第二伺服机构各包括一个气动机和一个变量柱塞栗，气动机连接变量柱塞栗驱动端；第一伺服机构、第二伺服机构的输入端均与三余度控制器的输出端连接，第一伺服机构、第二伺服机构将位移反馈信号传递给三余度控制器，三余度控制器将该位移反馈信号与控制系统传输的控制指令比较后输出电压模拟控制信号给第一伺服机构、第二伺服机构，控制第一伺服机构、第二伺服机构的流量、压力。
[0005]所述的第一伺服机构包括第一电机、第一气动机、第一变量柱塞栗、第一油箱、第二单向阀、第一油滤、第一安全阀、第一液压锁、第一三余度伺服阀、第一伺服作动器、第一三余度反馈电位计、第一低压安全活门、第一低压自封、第一高压自封，第一电机、第一气动机连接于第一变量柱塞栗驱动端口 ；第一变量柱塞栗前端连通于第一油箱的第一输油端口 ；第一油箱第二输油端口连通于第一低压安全活门的前端；第一变量柱塞栗后端连通于第二单向阀前端；第二单向阀后端连通于第一油滤的前端和第一高压自封的前端；第一油滤后端连通于第一安全阀的前端和第一液压锁第一油路前端；第一油箱第三输油端口连通于第一液压锁第二油路前端；第一液压锁第一、第二油路后端连通于第一三余度伺服阀第一、第二油路输入端；三余度伺服阀第三、第四油路流出端分别连通于第一液压锁的第三、第四油路输入端；液压锁第三、第四油路输出端连通于第一伺服作动器的左腔体、右腔体入口 ；第一伺服作动器腔体连接于第一三余度反馈电位计；第一油箱第四输油端口连通于第一低压自封的前端；第一液压锁的第三、第四油路受第一液压锁开放控制。
[0006]第一伺服机构包括还第一单向阀、第一蓄能器、第一电磁阀，第一单向阀前端连通于第一变量柱塞栗后端；第一单向阀后端连通于第一蓄能器流入端；第一蓄能器流出端连通于第一电磁阀的前端；第一电磁阀后端与第二单向阀后端连通于第一油滤的前端；第一电磁阀后端与第二单向阀的后端连通于第一高压自封的前端。
[0007]所述的第二伺服机构包括第二气动机、第二变量柱塞栗、第二油箱、第四单向阀、第二油滤、第二安全阀、第二液压锁、第二三余度伺服阀、第二伺服作动器、第二三余度反馈电位计、第二低压安全活门、第二低压自封、第二高压自封，第二气动机连接于第二变量柱塞栗的驱动端口 ；第二变量柱塞栗前端连接于第二油箱的第一输油端口 ；第二油箱第二输油端口连通于第二低压安全活门的前端；第二变量柱塞栗出油端连通于第四单向阀的前端；第四单向阀的后端连通于第二油滤的前端和第二高压自封的前端；第二油滤后端连通于第二安全阀的前端和第二液压锁的第一油路前端；第二油箱的第三输油端口连通于第二液压锁第二油路前端；第二液压锁第一、第二油路后端分别连通于第二三余度伺服阀第一、第二油路流入端；第二三余度伺服阀第三、第四油路流出端分别连通于第二液压锁第三、第四油路前端；第二液压锁第三、第四油路后端分别连通于第二伺服作动器的左腔体、右腔体入口 ；第二伺服作动器腔体连接于第二三余度反馈电位计；第二油箱第四输油端口连通于第二低压自封的前端；第二液压锁的第三、第四油路第二液压锁开放控制。
[0008]所述的第二伺服机构包括还第三单向阀、第二蓄能器、第二电磁阀，第三单向阀的前端连通于第二变量柱塞栗出油端；第三单向阀的后端连通于第二蓄能器的流入端；第二蓄能器流出端连通于第二电磁阀的前端；第二电磁阀后端与第四单向阀的后端连通于第二油滤的前端；第二电磁阀与第四单向阀的后端连通于第二高压自封的前端。
[0009]所述的第一伺服机构的第一低压自封的后端通过低压自封软管与第二伺服机构的第二低压自封的后端连通，第一伺服机构的第一高压自封的后端通过高压自封软管与第二伺服机构的第二高压自封的后端连通；低压自封软管、高压自封软管可拆卸。
[0010]所述的三余度控制器包括结构相同并联的子控制器1、子控制器I1、子控制器II1
[0011]所述的第一三余度伺服阀、第二三余度伺服阀均包括前置级1、前置级I1、前置级
II1、功率级滑阀，前置级1、前置级11、前置级111并联连接于功率级滑阀；所述的子控制器I信号输出端、子控制器II信号输出端、子控制器III信号输出端比较连接后与第一三余度伺服阀、第二三余度伺服阀的前置级I信号输入端、前置级II信号输入端、前置级III信号输入端连接。
[0012]所述第一三余度反馈电位计、第二三余度反馈电位计均包括反馈电位计1、反馈电位计I1、反馈电位计III，第一三余度反馈电位计的反馈电位计1、反馈电位计I1、反馈电位计III并联连通于第一伺服作动器；第二三余度反馈电位计的反馈电位计1、反馈电位计
I1、反馈电位计III并联连通于第二伺服作动器；一三余度反馈电位计、第二三余度反馈电位计的反馈电位计1、反馈电位计11、反馈电位计III均与所述的子控制器1、控制器I1、控制器III控制路连接。
[0013]本发明的有益技术效果在于:
[0014](I)两种伺服机构均带有能源组件，通过自封软管并联，能够实现能源双冗余，以及两台伺服机构间能源的自动调配；伺服控制器、伺服阀、位置反馈传感器等关键控制器件为三冗余设计。具备关键环节“一度故障容错能力”及致命薄弱环节“两度故障容错能力”，伺服系统可靠性提高至0.9993以上，容错能力较现役伺服机构显著提高。
[0015](2)采用整体化自足式设计，从火箭发动机栗后引流高压超低温氢气作为飞行动力源，使结构设计紧凑，充分满足箭上安装空间狭小需求。
[0016](3)两种伺服机构通过可拆卸式低压自封软管、高压自封软管并联，优化了传统液压系统的内部导管连接，提高了使用和维护性能。
[0017](4)气动机技术将从发动机引流的超低温氢气(可达195K)转化为机械动力，是变量液压柱塞栗的理想动力，同时最大限度的简化了发动机与伺服机构结构设计；同时气动机的高可靠化技术，也满足了其超低温、长时间、高可靠、潮湿环境的工况需求。
[0018](5)能够方便实现地面测试和天地能源切换，在地面测试时，发动机动作幅度较小，变量柱塞栗需要功率不大，因此用较小功率的电机即可以实现；飞行时，则由气动机驱动。