固体火箭推力方向控制

发射宇宙飞船用的多数运载工具需要通过某些导航或控制以便达到所需的飞行轨道。为了得到这种控制,固体火箭运载工具配备有推力方向控制系统。已经应用了机械的和空气动力的技术来修正发动机推力的方向并提供所需的控制力。本文只限于论述这样的推力方向控制系统,即给发动机推力附加一个侧向力,这个侧向力对飞行器的重心产生一力矩以进行控制。本文对各种推力向量控制系统作了简要的评述,而对柔性接头     

空气二次喷射推力向量控制

空气二次喷射国外又称“自由空气推力向量控制”(Free-Air TVC)。它根据气体(二次流)喷入发动机喷管主气流会产生气流干涉的原理,进行推力向量控制。不过它使用的二次流体并不由飞行器自身携带,而是从自由大气中收集的空气,故此得名。     

变质量飞行器变轨中摇摆发动机指向跟踪问题研究

针对携带大推力摇摆式轨控发动机的变质量飞行器,研究了其推力方向跟踪质心位置变化同时指向惯性空间推进方向的问题。研究中将飞行器分为可摇摆的发动机和变质量的平台两部分,利用雷诺迁移定理和变质量力学原理建立了整个变质量系统的数学模型;在控制系统设计中,通过一组线性转换,将系统转换为摄动双积分系统,以时间最优为性能指标,利用相平面法构造开关控制律。仿真结果表明,变质量飞行器利用该控制律能够实现摇摆发动机在惯性空间中跟踪质心位置变化的同时与推进方向保持一致。     

状态/输入约束下飞-推一体化的保性能安全控制

基于飞行-推力一体化思想提出了一种针对搭载超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器速度通道的状态/输入约束自适应鲁棒保性能安全控制方案。首先根据超燃冲压发动机的机理分析与计算流体动力模型数据，建立了安全子系统与性能子系统面向控制的仿射非线性模型。之后基于障碍Lyapunov理论与动态面设计方法设计了一套安全子系统状态约束控制器，从理论上保证了飞行器在跟踪指令的全过程中，发动机相关状态不会触碰安全边界，并结合自适应技术与辅助系统提高了该控制系统的鲁棒性。针对性能子系统设计了一套鲁棒自抗扰控制器，达到“保证安全的前提下不折损性能”的目的。仿真结果表明所设计的控制系统可以在保障安全的同时达到预想的性能，并显著放宽了超燃冲压发动机对飞行器飞行姿态的约束，保证了高超声速飞行器的机动灵活性。     

小推力速度闭环交会制导律设计

在空间飞行器交会对接的近程导引阶段,以小推力喷气发动机作为执行机构,同时完成轨道控制和姿态稳定.基于C-W方程提出了速度闭环交会制导方案,依据转动惯量是否为对角占优阵,姿态与轨道协调控制采用分时控制方案或同时控制方案,轨控推力和姿控力矩指令由同一套小推力发动机来执行.分析了此方案的制导误差,并提出了分步多推力弧段的小推力交会制导方法以提高制导精度.基于MATLAB/Simulink仿真平台实现了两个空间飞行器的分步多推力弧段近程交会导引仿真,仿真结果证实了所采用方法的有效性.     

一种固冲发动机燃气流量指令形成方法研究

为精确实现发动机推力控制以获得导弹速度大小的高精度控制,对一种固体火箭冲压组合发动机燃气流量指令形成方法进行了研究。采用基于速度反馈的闭环流量控制方法,通过改变发动机推力控制导弹的巡航速度。在固冲发动机工作阶段,建立了包含推力偏量的弹体小扰动线性化数学模型,将导弹速度偏差信号输入比例积分微分(PID)控制器形成燃气流量控制指令,控制固冲发动机的推力变化,达到新的推阻平衡,实现对导弹速度大小的控制。仿真结果表明:该控制策略具工程可行性,燃气流量控制系统有较强的鲁棒性。该方法属于闭环控制,能精确控制导弹飞行速率,在加速段能对导弹加速度进行限幅保护,确保固冲发动机安全。     

具有异构多操纵机构的飞行器复合控制技术

提出了具有异构多控制机构的飞行器复合控制决策与管理系统结构,建立了具有气动力/推力矢量/直接侧向力的异构多操纵机构的飞行器动力学模型,提出了模糊自适应控制分配与复合控制器优化集成设计方案。设计了基于参考模型的模糊自适应控制分配策略,使气动力/推力矢量/直接力任意形式组合及动态分配过程中复合执行机构等效动态特性与参考模型一致。采用进化策略对导弹复合控制系统参数进行了多目标优化设计。分别针对不同的组合形式进行了仿真研究,证明了具有异构多操纵机构的飞行器复合控制系统具有很好的快速大机动跟踪能力,实现了飞行器气动力/推力矢量/直接侧向力之间不同形式组合控制系统的自适应控制分配。     

先进火箭推进方案的研究

由于对运载器性能连续不断的提出改进要求,四个欧洲公司在 ESA/ESTEC合同支持下已经研究了提高低温火箭发动机性能的一般技术。选择了一个1MN 级推力的发动机,这个级别的推力被认为是推力从0.5MN 至10MN 的低温发动机的代表,已经对两方面的应用进行了研究,即传统的一次性使用运载器(一个改型的阿里安5)和一个单级入轨的垂直起飞/垂直着陆飞行器。对三个基础的方面进行了研究。即:变混合比(VMR)发动机,自适应(SA)喷管和发动机循环。另外,还对推力向量控制(TVC)方案进行了研究。     

火箭发动机随机推力调节控制驱动器的研制

为满足某型号液体火箭发动机定混合比随机无极变推力工作要求,研制了基于DSP处理器的随机推力调节控制驱动器。该控制驱动器实时接收随机变推力指令,在定混合比条件下,协调控制发动机系统上的燃料及氧化剂路调节阀,从而控制燃料及氧化剂流量,完成发动机的随机变推力控制。其参加多次发动机系统冷调试验及地面全程热试车,工作稳定可靠,实现了变推力双组元推进剂流量同步控制,精确控制发动机混合比,快速响应随机变推力控制要求。     

日本完成了M5运载火箭的初期试验

日本新型Mitsubishi M5卫星运载火箭第一级发动机的初期试验已完成。三级式M5火箭用的M—14固体发动机长13.65m,直径2.5m,由气体发生器控制,采用可动喷管推力向量控制系统,推力为4120kN,进行了历时41s的点火试验。M—24第二级发动机将在今秋首次试验。采用高拉伸钢壳体的M—14飞行结构发动机将在1995年试验。     

发动机喷流对飞行器飞行姿态影响的研究

针对某型导弹的实际飞行结果，在对立了合理的发动机推力模型及喷流模型的基础上，采用多学科的一体化仿真方法，重点研究了发动机喷流干扰对该型导弹飞行性能的影响。结果表明发动机喷流与发动机推力偏心及偏斜的共同作用将对飞行器飞行姿态和弹道产生显著影响，在飞行控制系统的仿真研究与参数整定中应综合考虑这些因素。     

发动机矢量推力测量与校准系统设计研究

矢量推力作为火箭发动机关键性能参数,对飞行器的飞行轨道精度控制具有重要意义。对火箭发动机工作产生的矢量推力进行准确测量成为目前发动机试验推力测量中亟待解决的问题。介绍了国内外目前矢量推力测量技术的进展和矢量推力测量与校准系统原理组成,分析了系统设计的关键技术,建立了发动机矢量推力测量与原位校准系统。基于矢量推力的解耦算法,开发了矢量推力测量与校准软件。针对某型号姿控发动机进行矢量推力试验测量,成功获得了发动机的矢量推力数据。测得的发动机的矢量力数据中主推力的测量不确定度低于1%,侧向力的不确定度低于5%。     

固体火箭发动机推力向量控制系统动力学计算

针对某固体火箭发动机推力向量控制系统运动中接头内部受力状态复杂且试验难以测量的问题,建立了该系统动力学计算模型,计算了接触数组参数,对该发动机推力向量控制系统进行了多体动力学计算。得到了系统运动规律,接头内滚动体与阴、阳球体间的接触力、摩擦力矩和系统作动力矩。最后通过与理论计算和冷摆试验结果的对比,验证了建模和计算的合理性,得到了更接近实际的结果。     

火箭动力飞行器推力线快速测算方法

为解决传统火箭发动机安装推力线测量方法耗时较长的问题,通过分析推力线偏差因素、构建偏差计算模型,得到工程简化的推力线快速测算方法。将飞行器推力线偏差分为机体结构偏差和发动机自身推力线偏差,在飞行器装配阶段利用现代化雷达或光学测量技术获取飞行器结构偏差,并结合发动机生产阶段自身推力线偏差数据,可快速计算、获取飞行器安装推力线。最后采用激光雷达推力线测量方法进行对比测试,试验表明快速测算方法仅耗时约10 min、且最大误差小于0.1°,从而验证了该方法的便捷性和有效性,可应用于液体或固体火箭动力飞行器推力线的快速获取。     

可延伸出口锥对推力向量控制系统稳定性的影响

介绍了喷管可延伸出口锥对大型固体火箭发动机推力向量控制系统稳定性的影响,并提出了改善其系统稳定性的措施。     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

质量矩复合控制拦截器一体化制导控制方法

在建立质量矩复合控制拦截器制导控制一体化数学模型的基础上,利用微分几何策略对一体化制导控制系统进行了设计,给出了发动机期望控制力矩和滑块期望位置指令,并采用极点配置方法对反馈控制系数进行了设计。为保证系统具有能控性,对滑块质量和发动机稳态推力参数进行了设计。仿真结果表明,该方法能实现拦截器末段的制导控制,同时能降低对滑块执行机构的功率要求。     

推力向量控制技术的论证

大西洋研究公司(ARC)与法国欧洲推进公司(SEP)共同进行先进向量控制方案的设计和论证试验。方案之一是超声速分离线喷管,该推力向量控制试验系由曾在标准(轴向)试车台进行过试验的基本型弹道发动机在ARC的多分力试车台上完成的。超声速分离线喷管是在60年代研制的一种很有希望的方案,由于受当时材料的限制而放弃了;随着喷管材料的新发展,证明该方案有进一步开发的必要,因为它可提供较大的偏转角。SEP制造的一种先进的轻型耐高温复合材料NOVEL-TEX,已被选用为ARC试验的喷管喉衬和出口维。本文叙述了发动机和推力向量控制系统的设计、试验装置和试验结果。     

再入飞行器的RCS控制系统设计

针对再入飞行器初始再入段的发动机反作用控制系统(RCS)控制精度问题,提出了一种新型发动机控制方法。首先,将飞行器模型分为慢回路和快回路分别进行控制器设计,采用非线性干扰观测器(DOB)来获取不确定项的估计值,并使用反演法及滑模控制方法设计了飞行器的慢回路和快回路控制律;其次,采用线性规划方法来获取最优RCS指令分配方案;在此基础上,对传统PWPF调制器进行改进,提出了积分补偿型PWPF调制器(IPWPF),采用描述函数法证明了该IPWPF的调制稳定性;最后,通过仿真验证了该方法相比于传统的控制方法具有较高的控制精度。     

反作用控制系统在RLV再入复合控制中的研究

以再入段的可重复使用飞行器(RLV)控制系统为研究对象,针对RLV再入姿态的气动舵面与反作用力控制系统的特点,提出优化控制选择配置算法把控制力矩指令配置为末端执行机构指令,分别由气动舵面与反作用力控制系统执行。仿真结果表明,该复合控制方法可以弥补某些情况下气动舵面控制的不足,能很好地实现RLV姿态控制,并具有更好的动态性能。