推力可控固体火箭发动机应用及发展

介绍了固体火箭发动机推力控制的多种技术方案及可控推力室在姿控，轨控发动机领域中的应用。     

固体火箭发动机能量管理技术及其新进展

固体发动机在工作过程,中通过对能量输出进行调节控制,可明显提高武器系统性能。文章综述了固体双脉冲发动机、固体变推力发动机、固体姿轨控发动机3种典型能量管理发动机技术国内外研究现状。通过对固体发动机能量管理技术发展特点及趋势进行分析,梳理了3种典型发动机关键技术进展情况,并对固体火箭发动机能量管理技术提出了相关建议。     

姿控发动机推力测量系统的动态建模与补偿

在姿控发动机的瞬态推力测量中,推力测量系统的动态特性是影响推力准确测量的一个至关重要的因素。根据姿控发动机推力测量的特点,针对某型号姿控发动机设计了专用的试车台架,采用了动态标定、动态补偿和计算机仿真有机结合的方法,对推力测量系统动态特性的改善进行了研究。仿真结果表明,此方法在改善推力测量系统动态性能方面是行之有效的,可将其进一步推广到其它动态测量系统。     

轨姿控发动机振动试验夹具结构拓扑优化

针对轨姿控发动机部分振动试验夹具存在质量偏大、频率特性差等问题,采取拓扑优化的方法对典型试验夹具进行了结构设计改进。基于Optistruct的拓扑优化模块,讨论了动力学拓扑优化模型及多目标优化的实现策略,介绍了离散度参数及最小成员尺寸等优化控制参数的设置。通过对推力装置块状试验夹具的拓扑优化,研究了优化目标及控制参数对优化结果的影响。优化后夹具频率特性满足试验要求,减速效果明显。通过实物振动试验,验证了正弦振动和随机振动试验条件下夹具控制响应平稳,满足试验容差要求。最后,通过对某型轨姿控发动机整机锥状试验夹具的结构设计改进,进一步拓展应用了拓扑优化方法。仿真结果表明,优化后夹具的模态频率和动态响应特性显著改善,为后续发动机振动试验夹具设计提供借鉴。     

液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。     

姿轨控发动机试验多阀光学同步测试方法

针对姿轨控发动机试验多个燃气阀启闭响应特性同步测试问题,通过测量激光经燃气阀喷管出口羽流后的透射光强,分析透射光强特征阶跃点来获得燃气阀启闭响应特性。基于该方法研制了六通道光学测量系统,对姿轨控发动机冷态试验多阀开展同步测量,同时获得了冷态试验5～50 Hz控制频率下6个燃气阀羽流光学响应信号。结果表明:5、10、20Hz控制频率下透射光强周期性变化明显,通过对信号进行带通滤波分析,同步获得了多个燃气阀的启闭响应时间,测量结果标准误差小于0.30 ms,同时验证了燃气阀启闭控制效果;但在50 Hz控制频率下,由于燃气阀电磁铁作动较快,燃气阀未完全闭合,因此无法获得燃气阀启闭阶跃变化特征点。该方法为姿轨控发动机试验提供了有效准确的快速非接触式测量方法。     

潜射弹道导弹轨姿控发动机方案选择

潜射弹道导弹对轨姿控发动机结构小型化、使用维护性能和贮存安全性提出了很高的要求.本文分析了各种轨姿控发动机的发展现状和它们在潜射弹道导弹上应用的可能性和局限性,并结合我国轨姿控发动机技术发展水平,提出了未来我国潜射弹道导弹轨姿控发动机发展前景和需重点开展的研究工作.     

小推力推进系统起动过程的分析

本文对小推力推进系统各部件建立了数学模型，并对此系统进行了数值计算。计算结果表明，在燃烧时滞较大时，该系统响应较慢，发动机参数的超调量较大，达到稳态所需的时间较长；轨控发动机与姿控发动机共用同一个供应系统时，姿控发动机受燃烧时滞的影响更大。减小燃烧时滞有利于提高发动机在起动过程的响应能力和稳定性。在起动阶段，高室压推进系统比低室压推进系统响应快，高室压轨控发动机的参数能较快地稳定下来，但其超调量较大；高室压姿控发动机虽然响应快，但其超调量大，达到稳态所需的时间长于低室压姿控发动机。本文所得结论为提高小推力推进系统在起动过程的响应能力提供了参考。     

喷口遮挡对射流式姿控火箭发动机性能的影响

通过数值模拟和试验研究,分析了喷口遮挡对姿控火箭发动机性能的影响。结果表明,当发动机喷口被遮挡时,姿控发动机不能跟随控制指令产生所需的反向推力,其稳定弹轴的能力减弱,从而影响火箭弹的落点精度。     

大气层外拦截器脉冲制导律

针对大气层外拦截器（EKV）轨控发动机垂直于体轴且导引头视场角极窄的特点,提出了一种采用固定推力发动机沿视线法向方向调整拦截弹速度矢量实施轨控的脉冲制导（PG）方法。制导开始时制导系统确定制导脉冲的施加时刻及制导脉宽,并引导制导系统选择轨控发动机执行;用施加修正制导脉冲的方式修正拦截双方地球引力加速度差对拦截效果的影响,并确定修正脉冲的施加时刻;选择修正制导脉冲施加时刻通过实施的脉冲修正方案消除末制导段的零控脱靶量。仿真结果表明：与修正的真比例导引制导相比,脉冲制导的能耗少、实施易,拦截过程中拦截双方的高度差越小,其拦截代价也越小。     

基于双量程推力传感器的精确测力技术

针对双量程推力传感器在使用中测试精度低的问题,结合传感器固有特性,开展了传感器动态特性分析及误差补偿方法的研究。通过有限元分析和力锤冲击试验,结合结构分析获得了双量程力传感器等效二自由度和三自由度动力学模型。利用近似求积数值法对冲击力试验输出信号进行补偿,获得了接近标准信号的测试结果,对该补偿方法进行了有效性验证。结果显示:本方法对发动机试验的推力信号进行了补偿,推动了单室双推力发动机推力的精确测量,为双推力发动机的推力测试提供了有效途径。     

固体火箭发动机瞬态推力复现技术研究

在数学补偿法的基础上，提出固体火箭发动机瞬态推力的数学复现法，并建立了测力系统的动态数学模型，通过实验室小结构系统的输入激励复现试验研究，验证了该方法的正确性，并应用于真应发动机的实验推力曲线分析，复现结果有效可靠。     

大气层外拦截器末段轨控发动机开关控制律

针对处于末段飞行的大气层外拦截器设计了轨控发动机开关控制律。拦截器在飞行过程中轨控推力以持续定常方式或小脉冲方式施加在垂直视线的方向，目标具有一定的机动能力。首先分析了拦截器轨控推力作用下视线转率的变化规律，在此基础上，根据脱靶量的要求设计了拦截器轨控发动机开关控制律，其中考虑了目标机动、瞄准点切换以及小脉冲工作方式对视线转率的影响。仿真表明了该控制律理论上的可行性。     

自增压系统在轨姿控动力系统中的应用

自增压轨姿控动力系统结合了涡轮泵压式火箭发动机的高性能、轻质量和挤压式推进系统的可重复启动能力。降低贮箱压力和减少惰性气体用量的同时,通过采用紧凑的高压推力室减少了其他组件的结构尺寸和重量。介绍了自增压系统在轨姿控动力系统的应用优势、技术特点、工作原理和目前的技术发展情况,分析了相应的关键技术,并基于目前技术基础,展望了发展的必要性和技术策略及途径。     

末段直接力姿态控制拦截弹的一种侧向稳定回路设计

针对采用侧向直接力姿态控制的拦截弹,设计了一种工程上比较可行的侧向直接力姿态控制方式的自动驾驶仪.首先,将侧向直接力发动机组看作一个离散的"鸭式"舵,进而对弹体进行线性化,得到弹体的传递函数;然后,在传统三回路增稳自动驾驶仪的基础上通过增加一个前馈通道的方式来设计直接力侧向稳定回路;最后,通过仿真验证了该种自动驾驶仪能够显著提高导弹的快速性.     

随机激励下铝蜂窝夹层板非线性特性研究

为研究铝蜂窝夹层板的非线性动力学特性,对铝蜂窝夹层板做不同激振量级下的随机振动试验,并作出非线性幅频图。系统的非线性频响函数的共振放大倍数随着激振量级的增加而减小,其特征与应用等效线性化及FPK法计算的带有非线性阻尼的系统理论得出的结果相似,拟合结果也表明试件的等效阻尼系数随外激励变化而变化,故得出文章中的试件带有非线性阻尼特性。铝蜂窝夹层板具有非线性阻尼特性这一结果可对航天器建模提供理论参考依据。     

直接力与气动力复合控制系统姿态稳定问题研究

大气层内直接力与气动力复合控制导弹具有响应快速、可用过载大等优点，可以拦截高速、高机动性目标。研究制导末端轨控直接力与气动力复合系统姿态稳定问题。首先分析了复合系统的特点和控制问题，建立了控制模型。然后应用扩张状态观测器观测对象模型内扰和外扰的实时作用量，进行反馈补偿，实现了动态线性化。最后设计了非平滑反馈控制律，从而实现了复合系统的姿态控制设计。仿真结果表明，系统具有良好的动态性能和稳态性能，控制器具有很强的鲁棒性。     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题，提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法，提高了控制精度，缩短了控制周期，并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型，然后给出其补偿控制时间设置方法，并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律，同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律，最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明，相较于传统的纯磁控方法，联合控制方法能够有效提高控制精度，大幅度缩短控制周期。