Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

918	Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ

Глава 8.8

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Приводные устройства являются испол нительными элементами СУ космических РБ (КРБ) и РН и применяются для управления:

положением (качания) маршевых двига телей в целях изменения направления вектора тяги КРБ или РН;

режимами работы этих двигателей в це лях изменения величины вектора тяги.

Приводные устройства преобразуют мало мощные электрические управляющие сигналы в поступательное или вращательное перемеще ние выходных звеньев, связанных с управляю щими органами ракетного двигателя.

В первом случае приводные устройства называют рулевыми машинами или рулевыми приводами, а во втором случае — приводами автоматики.

Рулевыми машинами (РМ) принято назы вать электрогидравлические приводы, не имеющие внутренней обратной связи от вы ходного звена (штока или вала) к золотнику. Для обеспечения позиционирования выходно го звена по командам СУ РМ должна быть ох вачена электрической обратной связью через внешний электронный блок. РМ применяют для качания ракетных двигателей КРБ, что связано с относительно малой мощностью на грузки со стороны двигателя (до 300 Вт). Если РМ имеет собственное гидравлическое пита ние от системы электродвигатель–насос, вхо дящей в состав РМ, то она называется авто номной, если несколько РМ питаются от об щего источника гидропитания, то централизо ванной. Энергия для питания электродвигате лей постоянного тока автономных РМ посту пает от бортовых батарей.

Рулевые приводы (РП) — электрогидравли ческие агрегаты с внутренней механической об ратной связью от штока к золотнику, что по зволяет им обеспечить позиционирование вы ходного звена по командам СУ. РП применяют для качания маршевых двигателей нижних сту пеней РН, отличающихся большой мощностью нагрузки со стороны двигателя (аэродинамиче ский момент, момент дебаланса и т.д.).

Гидравлическое питание РП обычно осу ществляют централизовано от внешнего ис точника, который использует энергию рабо тающего ракетного двигателя. Если на ступени РН находятся несколько двигателей или дви

гатель многокамерный, то группа РП вместе с источником гидравлического питания и соеди нительными трубопроводами образуют систе4 му РП (СРП).

Приводами автоматики (ПА) называют электрогидравлические или электромеханические агрегаты небольшой мощности с вращательным движением выходного вала, который связан с ва лом дросселя или регулятора ЖРД. Гидравличе ское питание ПА осуществляют от внешнего ис точника, использующего энергию работающего ракетного двигателя. Группа ПА вместе со стаби лизатором давления, переключающим клапаном и магистралями подключения к двигателю обра зуют ПА (СПА).

машины. История создания оте х РМ берет свое начало с изучения материальной части трофейных немецких ра кет «Фау 2». В центре внимания разработчи ков приводов оказалась РМ, разработанная фирмой «Аскания». В короткие сроки была разработана конструкторская документация и изготовлены опытные образцы РМ на отечест венной элементной базе. Начало использова ния РМ собственного производства на первых отечественных ракетах Р1, Р2 было положено в начале 50 х годов прошлого века. Первые РМ были вращательного типа с кривошип но шатунным силовым механизмом. Более широкое распространение получили РМ с по ступательным перемещением штока. Принци пиальная схема РМ представлена на рис. 8.8.1.

Основные элементы РМ:

электрогидравлический усилитель (ЭГУ), включающий в себя узел управления и золот никовый гидроусилитель; узел управления состоит из электромеханического преобразо вателя (поляризованного реле) 1, коромысла 2 и плоской пружины 3; золотниковый гид роусилитель представляет собой пару золот никовых плунжеров 4, соединенных с коро мыслом 2, и пару полых гильз 5; электрона сосный агрегат, состоящий из электродвига теля постоянного тока 7 и трехшестеренного насоса 6; предохранительные клапаны 8 для защиты электродвигателя от перегрузок; си

ловой механизм (цилиндр	поршень 10,
шток 11); потенциометр	связи 13,

связанный со штоком; трубопроводы 12 свя зи ЭГУ с силовым механизмом

Особенность схемы состоит в том, что зо лотниковые плунжеры 4 находятся внутри гильз 5, одновременно являющихся полыми осями шестерен насоса 6, чем снимается сухое

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ	919

Рис. 8.8.1. Рулевая машина:

1 — электромеханический преобразователь; 2 — коромысло; 3 — плоская пружина; 4 — золотнико вые плунжеры; 5 — гильзы; 6 — трехшестеренный насос; 7 — электродвигатель; 8 — предо тельный клапан; 9 — силовой гидроцилиндр; 10 — поршень; 11 — шток; 12 — трубопровод; 13

потенциометр обратной связи

трение в паре плунжер–гильза, что обеспечи	Цифровые приводы. Начиная с 1963 г. в
вает высокую чувствительность РМ. Замыка	Центральном конструкторском бюро экспе
ние РМ электрической обратной связью через	риментального машиностроения, ныне
потенциометр 13 дает возможность позицио	РКК «Энергия», велись работы по созда
нирования перемещения выходного звена с	нию электрогидравлических РП, предназна
точностью (10…15) %.	ченных для работы в системе стабилизации
Достоинство РМ — простота конструк	ракет с бортовыми вычислительными ма
ции, удобство в эксплуатации, высокая надеж	шинами, которые обладают универсально
ность в работе, возможность эксплуатации в	стью, высокой точностью и быстродействи
условиях дальнего космоса. Все это позволило	ем. Однако необходимость в логическом
РМ стать практически незаменимой в косми	преобразовании информации, которой ма
ческих РБ разного назначения.	шина обменивается с управляемыми систе

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

920	Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ

мами аналогового типа, приводит к потере точности.

Данные обстоятельства привели к попыт кам создать исполнительные устройства, кото рые требовали бы минимальных преобразова ний сигналов, формируемых вычислительной машиной, и одновременно были способны их отработать без потери точности. Такими уст ройствами стали дискретные приводы — шаго вые и цифровые. У шагового привода каждому из входных сигналов (импульсов) соответству ет определенное перемещение (шаг) выходно го элемента, и конец каждого перемещения

является началом отсчета	последующего.
В этом случае любое	положение на
выходе определяет не	количество по

данных импульсов, но и положение выходного элемента до начала подачи импульсов.

Таким образом, выходной элемент шаго вого привода принимает дискретные положе ния с интервалом в один шаг, а суммарная по грешность в установившемся состоянии не превышает величины одного шага.

Цифровой привод воспринимает сигналы в виде n разрядного параллельного двоичного кода и преобразует их в дискретные положе ния выходного элемента. Величина интервала между двумя ближайшими положениями вы ходного элемента соответствует минимально возможному приращению сигнала (единице младшего разряда входного двоичного числа)

иопределяет разрешающую способность (шаг) привода. Погрешность в установившемся со стоянии также обычно не превышает одного шага, а его величину определяет количество разрядов входного сигнала.

Наиболее значительный вклад в разработку

ивнедрение цифровых электрогидравлических приводов в отечественной ракетной технике сделан в 1975–1985 гг., когда все без исключе ния приводы маршевых двигателей сверхмощ ной РН «Энергия» были реализованы в виде цифровых электрогидравлических приводов.

Всего на РН «Энергия» было установлено 40 РП (32 на первой ступени и 8 на второй) и 16 электрогидравлических ПА двигателей пер вой ступени.

Вкачестве рабочего тела для РП и ПА первой ступени РН использовалось углеводо родное горючее, отбираемое от ракетного дви гателя при его работе. Гидравлическое ние РП второй ступени осуществлялось специального агрегата гидравлического

ния (АГП), в котором расход рабочей жидко

сти создавала система турбопривод–насос за счет отбора газообразного водорода, сопутст вующего работе двигателей второй ступени.

Цифроаналоговый преобразователь — осно, ва цифрового привода. В электрогидравлических приводах для РН «Энергия» в качестве первого каскада усиления применялся семиразрядный электрогидромеханический цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) относительно малой мощности, а в последующих каскадах усиле ния — обычные золотниковые гидравлические усилители.

ЦАП был разработан как самостоятель ная сборочная единица и входил в состав при водных устройств РН «Энергия» как унифици рованное изделие. Принципиальная схема ЦАП представлена на рис. 8.8.2.

ЦАП представляет собой электрогидроме ханическое устройство, выполненное в виде се ми одинаковых двухкаскадных ЭГУ 1 (разряд ные ЭГУ), и механизма суммирования 2. Схема разрядного ЭГУ вынесена на этом же рисунке отдельно. Электрическая часть разрядного ЭГУ состоит из магнитоэлектрического преобразо вателя МПС 211, а гидравлическая часть вы полнена по схеме сопло–заслонка с переклю чающим золотником, выход которого связан с разрядной камерой механизма суммирования. Линии нагнетания и слива разрядного ЭГУ со единены с соответствующими магистралями ЦАП. Механизм суммирования выполнен в ви де гильзы с подводящими каналами, внутри ко торой расположена цепочка из семи двоич но взвешенных по относительным ходам и взаимосвязанных плавающих разрядных порш ней 3, ход младшего разряда составляет 0,1 мм. ЦАП имеет два выходных элемента (штока): рабочий 4 и обратной связи 5. Плавающий раз рядный поршень младшего разряда взаимодей ствует с рабочим штоком, а поршень старше го — со штоком обратной связи.

Во время работы ЦАП на его рабочий шток со стороны золотника привода, в котором установлен ЦАП, действует постоянная поджи мающая сила. Шток обратной связи 5 при рабо те ЦАП всегда находится в поджатом состоя нии, благодаря действию сил от пары толкате лей 6, что исключает люфты при движении це почки разрядных поршней. Магистрали нагне тания и слива ЦАП связаны через стыковочную плоскость с соответствующими магистралями привода, на который устанавливают ЦАП.

Применение поляризованного магнито электрического преобразователя МПС 211 и

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ	921

Рис. 8.8.2. Цифроаналоговый преобра зователь:

1 — разрядный электрогидравлический усилитель; 2 — механизм суммирова ния; 3 — разрядный поршень; 4 — ра бочий шток; 5 — шток обратной связи; 6 — толкатели

двухкаскадного ЭГУ сопло–заслонка позволи ло обеспечить высокое быстродействие ЦАП — время срабатывания любого разряда не более 6 мс. Магнитоэлектрический преоб разователь разработан специально для исполь зования в ЦАП и, с учетом утраивания кана лов СУ, имеет три гальванически развязанных обмотки управления, обеспечивающих голосо вание по схеме «два из трех» при отказе управ ляющих каналов СУ.

Основные технические характеристики ЦАП

Командный сигнал . . . . . . . . . . Параллельный семиразрядный код в виде напряжения (28/4)В прямой («1») и обратной («0») полярности

Количество обмоток одного разряда. . . . . . . . . . . . . . . 3 с сопротивлением

(400/40) Ом Ход младшего разряда. . . . . . . . . . . . . . 0,1 мм

Диапазон перемещения . . . . . . От 0 до 12,7 мм Точность отработки команды . . Не хуже 1 % от диапазона;

Давление питания рабочей жидкости (масло, керосин). . . . . . . . . . (20,59/0,98) МПа

(210/10) кгс/см2 в РП и (5,39/0,29) МПа (55/3) кгс/см2 в ПА

Масса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Не более 3 кг

Основные преимущества ЦАП перед ана логовыми гидроусилителями:

возможность стыковки с ЦВМ без преоб разования вида командного сигнала;

относительная разрешающая способность зависит только от числа разрядов;

абсолютную точность позиционирования определяет только точность изготовления раз рядных поршней;

высокая степень виброустойчивости (60g) и помехозащищенности, так как разрядные поршни постоянно находятся под нагрузкой;

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

922	Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ

работоспособность в широком диапазоне температур (от минус 50 до 120 С) и давлений рабочей жидкости (от 1,96 до 22,56 МПа) (от 20 до 230 кгс/см2);

пульсации давления в линии нагнетания практически не влияют на характеристики при вода;

высокая надежность, заложенная в самом принципе действия цифрового привода, так как при отказе одного разряда не происходит отказа привода, а только уменьшается диапа зон перемещения штока привода на величину этого разряда;

высокая точность совпадения положений выходного штока привода при подаче одина ковых кодов.

Рулевые приводы. Наиболее характерный пример использования цифрового привода на ракетах тяжелого класса — РП второй ступени РН «Энергия», на которой управле ние положением вектора тяги осуществля лось отклонением четырех кислородно водо родных двигателей с помощью системы из восьми РП.

Основные требования, предопределив шие выбор схемы и конструкции привода:

большое развиваемое усилие на штоке (33,8 кН (32 000 кгс));

большая гидравлическая мощность (35 кВт); высокая статическая точность позицио нирования, обеспечивающая несоударение маршевых двигателей при их плотной компо

новке на второй ступени; большая инерционная нагрузка, приведен

ная к штоку (0,56 кН с/см (57,9 кгс с/см)); ограниченная жесткость мест крепления

привода к двигателю и конструкции второй ступени;

необходимость фиксации двигателя в заданном СУ положении перед его выключе нием.

Приводы первой и второй ступени РН «Энергия» выполнены по единой принципи альной схеме, однако отличаются друг от друга по уровню развиваемой мощности, схеме фик сирующего устройства, а также динамическим характеристикам упругого контура, включаю щего в себя РП, двигатель, силовые элементы мест крепления.

Принципиальная схема РП с цифровым управлением второй ступени представлена на рис. 8.8.3.

Для выполнения требования необходи мости большой развиваемой мощности при

вод сделан трехкаскадным. Первый и вто рой каскады образуют цифровой электро гидравлический привод, управляющий третьим каскадом. Первым каскадом усиле ния ЦАП, рабочий шток которого через кинематическую передачу 1 связан с золотником 2 гидрораспределителя второго каскада, управляющего положением штока силового цилиндра 3 второго каскада. В свою очередь этот шток через кинемати ческую передачу 4 связан с золотником 5 гидрораспределителя 6 третьего каскада, ко торый обеспечивает распределение рабочей жидкости в полости силового цилиндра 7 третьего каскада РП. Шток обратной связи ЦАП и шток силового цилиндра второго каскада связаны между собой механической обратной связью 8. Золотник и шток сило вого цилиндра третьего каскада охвачены механической обратной связью 9. В состав привода входят также блок динамической коррекции 10 и гидравлический замок 11. Вход рабочей жидкости от источников гид ропитания осуществляется через магистраль нагнетания, а выход — через магистраль слива.

Блок динамической коррекции 10 вы полнен по схеме датчик–дроссель–шунти рующий золотник и предназначен для демп фирования низкочастотных колебаний (3… …4 Гц) в упругом контуре привод–двигатель. Гидравлический замок для автомати ческой фиксации положения качающихся ка

мер ракетного двигателя	спаде давления
в магистрали нагнетания.

Приводы автоматики обеспечивают вы полнение следующих задач при управлении ракетными двигателями:

установку регулирующих органов дви гателя в исходное положение перед его за пуском;

управление режимами тяги в полете; плавное понижение тяги перед выключе

нием двигателей; регулирование соотношения компонен

тов при работающих двигателях. Нетрадиционным требованием к ПА, при

меняемым на многокамерных двигателях раз работки НПО «Энергомаш» РД 170, РД 171, РД 180, стало обеспечение высокой точности позиционирования выходного вала дросселя и регулятора. При этом уровень вибраций в районе установки приводов достигал (60… …100)g. Задача была решена за счет использо

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ	923

Рис. 8.8.3. Рулевой привод:

1 — кинематическая передача от ЦАП к золотнику второго каскада; 2 — золотник второго каскада; 3 — силовой цилиндр второго каскада; 4 — кинематическая передача от силового цилиндра второго каскада к золотнику третьего каскада; 5 — золотник третьего каскада; 6 — гидрораспределитель третьего каскада; 7 — силовой цилиндр РП; 8 — механическая обратная связь между ЦАП и вторым каскадом; 9 — механическая обратная связь третьего каскада; 10 — блок динамической коррекции;

11 — гидравлический замок

вания цифровых электрогидравлических при	золотника, к которому	давление на
водов на базе ЦАП. Принципиальная элек	гнетания. Магистрали	гидрораспределителя
трогидравлическая схема цифрового ПА	подведены к силовому механизму 2, состояще
представлена на рис. 8.8.4.	му из двух гидроцилиндров с поршнями, свя
Привод представляет собой двухкаскад	занными через зубчатые рейки с выходным ва
ный усилитель мощности входного сигнала,	лом, благодаря чему исключен люфт в зубча
поступающий на обмотки ЦАП. Шток ЦАП	той передаче. Выходной вал привода соединен
напрямую связан с золотником 1 гидрораспре	со вторым штоком ЦАП через кулачок обрат
делителя второго каскада усиления и находит	ной связи 3, в результате привод замкнут по
ся при работе привода в поджатом состоянии	положению. Каждой из 127 возможных ком
благодаря действию сил гидравлической пру	бинаций с дискретностью 1,57 соответствует
жины, реализованной в виде плунжера внутри	вполне определенное	положение выходного

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

924	Глава 8.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ СУ

Рис. 8.8.4. Привод автоматики:

1 — золотниковый гидрораспределитель; 2 — силовой механизм; 3 — кулачок обратной связи; 4 — кон тактная группа положения вала; 5 — телеметрический потенциометр; 6 — клапанные гидроразъемы

	вала, что свидетельствует о высокой точности		Скорость выходного вала соответст
	регулирования по выходу. На валу привода ус		венно при 19,61 и 98,07 Н м . . .		. . 200 и 150 /С
	тановлены контактная группа 4 и телеметриче		Давление нагнетания рабочей
	ский потенциометр 5. Подключение ПА к ма		жидкости		/
				. . . .	(5,39 0,29) МПа
	гистралям нагнетания и слива СПА осуществ				((55/3) кгс/см2)
	ляют с помощью клапанных гидроразъемов 6.		В настоящее	цифровые РП и ПА
	Основные технические характеристики ПА:
			продолжают успешно использовать на двига
	Угол поворота выходного вала		телях РД 180 в американской РН «Атлас 5».
	привода . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . От 0 до 200	ПА применяют также на двигателях РД 170М
	Точность отработки командного		в РН «Зенит» по программам «Морской старт»
	сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . 1 % от 200	и «Наземный старт». В процессе эксплуатации
	Рабочий момент на валу . . . . .	19,61 и 98,07 Н м	все цифровые приводы показали высокую сте
		(2 и 10 кгс м)	пень надежности.

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ

Аджян Алексей Погосович, Аким Эфраим Лазаревич, Алифанов Олег Михайлович и др.

МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ Том IV 22

РАКЕТНО КОСМИЧЕСКАЯ

Книга 1

Редактор И.М. Гончарова, Е.В. Макаренко Дизайнер Н.А. Свиридова

Корректоры Л.И. Сажина, Л.Е. Сонюшкина

Инженер по компьютерному макетированию В.Г. Верхозин

Сдано в набор 09.06.2011 г. Подписано в печать 11.05.2012 г.

Формат 70 100 1/16. Бумага офсетная.	Гарнитура NewtonC.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 75,4.
Уч. изд. л. 91,54. Тираж 500 экз.	Заказ	.

ООО «Издательство Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4. www.mashin.ru

Отпечатано в ГУП ППП «Типография “Наука” РАН», 121099, Москва, Шубинский пер., 6