[科普中国]-气动舵机

分类

气动舵机根据气源形式可分为冷气舵机、燃气舵机、冲压式舵机。按照伺服阀分类，有滑阀式、球阀式、喷嘴/挡板阀式、射流管式舵机。按照控制方式，可分为线性、继电式和脉宽调制式舵机。1

冷气舵机冷气舵机采用蓄压气瓶中贮存的高压气体，作为驱动制导弹药舵面偏转的初始能源。高压气体一般采用空气、氮气、氦气等。蓄压气瓶一般为圆球形、圆柱形、环形。右图1为冷气舵机的系统原理。

冷气舵机的力矩、转动惯量比较大；灵敏度较高，响应速度较快；结构简单，成本较低；体积小，质量小；采用压缩冷气作为能源便于长期贮存；冷气干净无腐蚀作用，因而可靠性高；对污染不太敏感。但效率低(一般不超过30%)，工作时间较短。由于气体的可压缩性而承受负载刚性差，频带较窄。通过加大作动筒直径，提高气源压力，可以提高舵机截止频率从而提高其负载特性。冷气舵机一般用于工作时间较短的中程和近程导弹上。1

燃气舵机燃气舵机采用固体火药缓燃气体为能源来驱动导弹舵面运动。右图2是一种燃气型继电控制舵机。其工作过程如下：在舵机开始工作前，先给舵机加温系统供电，以保证燃气发生器的火药柱有适当的温度。接着以直流27 V的电压点燃火药柱，燃气发生器工作，气源处的高压气体通过节流塞经舵机的气缸、电磁阀3和19中的喷嘴8和电磁阀壳体上的四个小孔，排泄到大气中。

当电磁阀3和电磁阀19都没有电流信号时(即I1=I2=0)，舵机本体两个气缸中的进气量和排气量相等，两个气缸中的气压也相等(即p1=p2)，此时，舵面保持中位。

由于舵机是继电控制的，当电磁阀3有控制信号时，电磁阀19中便没有控制信号。这时，由于电磁阀3通入控制信号电流，产生电磁力作用，使电磁阀3中的衔铁4往喷嘴8的方向运动。电磁阀中的衔铁4带动阀针7运动的结果是，阀针7将喷嘴8堵塞，造成气缸中压力(p1)突然增高，而另一个气缸压力不变。因此，舵面很快在顺时针方向转动到最大角度位置。阻尼器由于12与舵臂相连接，缓冲了舵面运动的速度，所以产生阻尼效应。

同理，如果给电磁阀19供以控制信号，则电磁阀3的控制电流为零。此时舵面逆时针方向转动到最大角度位置。

图中恒压阀门组件18是一个恒压保险机构，它保证燃气发生器的气源压力不超过7.09275 MPa(70 atm)。当气源压力小于7.09275 MPa(70 atm)时，组件的阀门关闭；当气源压力超过7.09275 MPa(70 atm)时，阀门打开，使高压燃气的一部分从阀门组件的阀门排出，使压力峰大大降低，达到恒压和保险作用。

燃气舵机结构紧凑、相对质量小，但工作时间较短，需用耐高温材料。由于燃气灰渣会影响舵机的工作精度、快速性和可靠性，为此，需设置多层密封过滤装置。燃气舵机多用于小型近程导弹上。1

制导弹药冲压式执行机构冲压式舵机执行机构是一种20世纪70年代新发展起来的技术，已经成功应用在俄罗斯一些反坦克导弹和炮射导弹中。

导弹在大气中飞行时引入高速气流转换而成的滞止压力，作为舵机控制执行机构的工作能源，这种形式的能源称为冲压式能源，采用冲压式能源的舵机称为冲压式舵机。冲压式舵机取消了一般气动舵机系统的能源部件，如压缩气瓶、电爆阀、减压阀、燃气发生器、过滤器等，因而质量、体积大大减小，成本降低，系统简单，减少了导弹系统能源需求。冲压式能源压力的高低与飞行速度成正比，从而使舵机的负载力矩与飞行速度相匹配。冲压式舵机执行机构工作原理如右图3所示。

由于冲压式舵机系统一般是由弹体头部的进气口引入大气流的，故大都采用鸭式舵气动布局。

应用冲压式舵机执行机构，一般须要求导弹速度大于1.5 Ma，否则，供气压力达不到要求。冲压式舵机用于长时间飞行的导弹时，有系统简单、节省能源、质量轻、体积小的优点。但在助推阶段，由于阻力较大而造成射程损失，需增加发动机装药质量以提高其推力；为了进行控制，需要有一个替换能源(如一个小冷气瓶)，这些多少使冲压式执行机构的优势有所减弱。1

气动舵机伺服机构特点（1）响应较快，一般说来，气动伺服机构比直控式电动伺服机构响应快，速度刚度大；比液压伺服机构响应慢，速度刚度小；速度刚度反映负载波动引起输出速度的变化，一般用单位速度变化所需作用在输出轴上扭矩的大小来表示。

（2）温度变化影响小。因为气体粘性很小，温度对粘性的影响在气动系统中常可以忽略不计，故温度变化对伺服机构的工作性能没有显著影响，特别适用于高温环境。

（3）适用于有防水，防爆，防油要求的自动控制系统。

（4）能量的储藏和传输简单。

（5）易于做到体积小，重量轻，机构简单，性能可靠，比功率大。

（6）气体的可压缩性将大幅度降低系统的固有频率，容易产生低频振荡。使用时需考虑气体供给系统中的除尘，干燥和润滑等问题。2