一种小型空空导弹舵面锁制器的设计实现

2022-09-11

对于正常式布局的空空导弹, 舵机位于导弹的尾部, 由于受导弹翼面下洗气流的影响, 在挂机飞行时, 舵面受到不对称气流的影响, 一般都不能稳定在零位, 而会随着载机的机动在空中偏摆, 从而会影响电动舵机中的关键部件电动机和角度传感器的使用寿命, 同时, 舵面不在零位时, 若导弹需用应急发射, 则将严重影响载机的发射安全, 故在这种类型的空空导弹上, 一般都需用在挂机时将舵面锁定在零位, 在正常发射时再将舵面解锁。

传统的舵面锁制器都是安装在舵面或舵轴附近, 通过机械销直接锁定舵面。按照其工作原理可分为气动型、机械型和电磁型三种。气动型采用高压气瓶作为能源, 在解锁时通电将电爆管打开, 高压气进入气缸, 从而推动气缸运动, 将机械销拔出, 舵面解锁。机械型是采用压簧将锁制销压紧在舵轴上预开的斜型凹槽内, 将舵面锁定在零位, 在导弹发射前舵机自检摆动时, 将锁制销推出, 同时带动一个卡板动作, 并使其在扭簧作用下卡入锁制销槽内, 阻止锁制销返回, 实现解锁。电磁型是利用电磁力原理工作的, 在不通电时采用压簧将锁制销压紧在舵面或舵轴上的销孔内, 通电后, 电磁吸力克服弹簧力和摩擦力, 将锁制销拔出, 实现舵面解锁。由于作用在舵面上的气动力矩往往高达几十扭米, 则折算到舵面或舵轴上需用的拔销力就可达几十公斤, 这样就使锁制器的体积和重量都较大, 有时可能会影响到导弹的战术指标。

随着电动舵机在战术导弹上应用的普及, 利用限制电机轴的转动来间接实现舵面的锁定成为可能, 由于电机到舵面的传动比一般都设计得较大, 则折算到电机轴上的锁制力矩就可减小很多, 从而也可大大减小锁制器的体积和重量。这种设计思想已在地 (舰) 空型战术导弹上得到了应用, 其原理都是采用压簧将两个摩擦片压在一起实现电机轴的锁定, 但对空空导弹来说, 这种工作方式是不可靠的, 由于挂机飞行时的高频剧烈振动, 两个摩擦片会逐渐产生相对位移, 电机轴就会慢慢转动, 从而无法将舵面锁定在零位, 故就要寻找新的方法来实现对电机轴的锁定。

1 系统主要设计指标

锁制器的主要设计指标如下:

(1) 解锁电压:≤25V; (2) 解锁电流:≤0.2A; (3) 解锁力矩:≥0.5N·m; (4) 锁制转角范围:±0.5°; (5) 重量:≤60g; (6) 外形尺寸:≤Φ34×1 6 m m。

2 系统设计

2.1 总体设计

由于不能采用传统的摩擦片结构, 这里我们借鉴了舵面电磁型锁制器的拔销设计思路, 锁制器主要组成部分包括静铁心、衔铁 (销盘) 、线圈绕组、弹簧、制动盘、定板以及轴套等。其工作原理为:当线圈绕组不通电时, 弹簧处于放松状态, 其产生的轴向弹性力将推动衔铁 (销盘) 移动, 将衔铁上的销子插入到制动盘的腰型槽内, 从而将电机轴锁定。当给锁制器的绕组施加直流电压时, 在其绕组中产生电流, 该电流在铁心中形成了磁场并产生磁通, 由于励磁电流为恒定直流, 使得磁路中的磁通不变, 并在静铁心和衔铁之间的气隙内产生电磁吸力, 吸引衔铁运动, 当电磁力大于弹簧的弹性力和销子与制动盘的摩擦力之和时, 磁钢吸引衔铁向弹簧压缩的方向移动, 使衔铁运动到与静铁心接触, 同时带动锁销从制动盘中拔出, 实现电机轴锁定解除。

2.2 制动盘设计

舵机锁定角度为±0.5°, 考虑到舵机传动间隙和刚度, 取锁定角度值为0.4°, 假设舵机传动比为150, 则折算到电机轴上的转角为60°, 故制动盘开槽角度为120°。为了提高系统的工作可靠性, 采用了两个锁销, 则制动盘外形如图1所示。

2.3 磁路设计

静铁心内圆和外圆的两个端面构成了锁制器磁路中的两个气隙, 也是其工作气隙。静铁心的内圆和外圆与衔铁构成一个完整的磁路。该磁路简单明了, 工作可靠, 基本不存在能干扰电机磁路的因素。考虑导磁性能和机械强度, 磁路部分材料均选用10#钢。

按照要求的电压和电流要求, 在有限的静铁心槽内空间内放置尽可能多的漆包线, 以提高磁路的安匝数。该锁制器为短时工作制, 应充分考虑在高电流密度和高工作温度条件下的温升问题。

(1) 保证在有效的工作时间内, 不致由于温度升高使线圈电流减小, 从而导致锁制器电磁吸力下降造成锁制器重新锁定; (2) 在有限的槽内以能够放置计算出的安匝数所需的线圈导线数为基准, 选择最低的线圈电流密度, 以尽量降低锁制器工作时的温升时间斜率。

采用静铁心外环上多个小型弹簧均匀布置格局, 可提供较为稳定和均衡的弹簧压力。根据设计输入的纵向过载可以计算出弹簧的弹性力, 而锁销与制动盘的摩擦力取决于两者之间的正压力和摩擦系数, 已知作用在电机轴上的力矩为0.5N·m, 则为了减小正压力, 将锁销位置尽量设计在靠近衔铁的外圆, 根据结构布局情况, 锁销距电机轴最大距离为12mm, 则可计算出正压力为42N, 为减轻重量, 制动盘为铝合金材料, 衔铁为10#钢, 则可得出其间的摩擦系数为0.5, 则摩擦力为21N。

依此参数进行电磁计算, 并进行相应的结构设计, 可以得出锁制器主要参数:

(1) 解锁电压:25V; (2) 解锁电流:0.21A; (3) 外形尺寸:Φ34×25mm; (4) 重量:约110g。

由设计结果可以看出其长度和重量都远远超出设计要求。

2.4 小型化设计

可见, 按照传统的设计方式是无法满足要求的, 问题就在于在要求的空间内, 无法使电磁吸力足够达到克服弹簧的弹性力和销子与制动盘的摩擦力之和, 只有将两个力减小才能实现。由于弹簧的弹性力是用于保证飞机在大机动飞行时不致导致锁销脱出, 故其设计参数基本上就由导弹在挂机时的承受的最大横向过载决定了, 是无法改变的, 故只有减小销子与制动盘的摩擦力, 但由于为减小制动盘对电机动态特性的影响, 其材料只能选用比重最小的铝合金材料, 为减轻重量, 衔铁与锁制销只能采用一体化设计, 则其材料也无法更改, 则只能另外开辟设计思路。只有在拔销时能使锁销与制动盘脱开, 则摩擦力就不存在, 即可大大减小电磁系统的体积和重量。

3 结语

在空空导弹舵面锁制器设计中, 通过借助舵机上电时的自动归零过程, 可以消除锁销与制动盘之间较大的摩擦力, 从而可以大大减小锁制器的体积和重量, 实现舵面锁制器的小型化设计, 若采用电机和锁制器的一体化设计, 则还可以进一步减小舵机的重量, 这对于对体积和重量要求都很高的空空导弹来说具有十分重要的意义。

摘要：目前, 随着电动机和功率电子技术的发展, 电动舵机在空空导弹上的应用越来越广泛, 这就为通过锁定电机轴来实现舵面的锁定提供了可能, 本文提出了在电动舵机上进行一种小型舵面锁制器的设计方法, 可以大大减小锁制器的体积, 并减轻重量。

关键词：空空导弹,电动舵机,电磁锁制器,制动盘