火箭级间分离与姿控耦合影响研究*

翟章明,张 健,林 崧,周一磊,徐明钊

(1 国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙 410073;2 北京宇航系统工程研究所,北京 100076)



火箭级间分离与姿控耦合影响研究*

翟章明1,2,张 健2,林 崧2,周一磊2,徐明钊2

(1 国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙 410073;2 北京宇航系统工程研究所,北京 100076)

为分析分离与姿控耦合设计时的相互影响,提出了基于上面级喷管最大摆动角速度,以及基于上面级实时控制的分离与姿控耦合计算方法,建立了级间分离与姿控耦合计算模型。某型火箭级间分离计算结果表明,采用基于上面级实时控制的耦合计算方法,能够真实地反应上面级姿态控制力作用下的级间分离过程,可为箭上设备安装边界设计提供准确依据。

分离;姿控;耦合影响

0 引言

级间分离是运载火箭任务飞行的关键环节,通常采用热分离方案,即分离面切割解锁前上面级发动机点火,级间段压力升高,分离面切割后下面级在级间压力与喷流力作用下远离上面级完成分离。级间分离过程中上、下面级承受发动机推力、姿态控制力、气动力、后效力、级间压力、喷流力等复杂力作用,其中上面级姿态控制力对分离间隙影响最为显著。为减少上面级姿控力的影响,通常在分离前上面级控制系统停止工作,待分离到足够安全距离后上面级喷管才起控摆动,这种方式存在分离失控时间长、对上面级初始稳定性影响大的缺点[1-2]。由于级间分离高度一般在20～30 km,气动力对上面级姿态控制影响较大,为降低上面级起控难度,要求缩短上面级失控时间,极限情况下分离面切割同时上面级起控,级间分离时必须将分离与上面级姿态控制进行耦合设计,分离计算必须考虑上面级姿态控制力影响。

1 级间分离与姿控耦合设计

级间分离设计的重点是分离时序设计,时序设计时主要考虑的因素有上下面级发动机关机特性、上面级发动机启动特性、级间分离面切割特性、上面级启控时间间隔等。根据火箭飞行特点与级间分离要求,典型级间分离时序见图1。

图1 典型级间热分离时序

分离横移量是衡量分离间隙变化的重要参数,也是箭上仪器设备安装边界设计的重要依据。以某型运载火箭为例,各偏差量对分离横移影响见表1,表中以质量偏差的横移影响量为标准,对其它偏差量影响进行了归一化对比。

从表1可以看出,上面级发动机摆角δφ是影响分离横移的关键因素,发动机喷管在上面级姿控系统作用下摆动,分离计算时必须考虑喷管摆动的动态过程。在通常的级间分离设计中,为减少上面级姿态控制力对分离过程的影响,分离前上面级控制系统停止工作,待分离到一定安全距离后上面级发动机喷管才起控摆动,典型时序见图2,此时火箭上面级存在失控时间。对于姿控能力有限的火箭,为缩短失控时间,最大程度改善上面级起控条件,极限情况下要求分离面切割指令与上面级起控指令同时发出,分离面切割的同时上面级发动机喷管起控摆动,典型时序见图3。

图2 分离与姿控独立的时序设计

图3 分离和姿控耦合的时序设计

采用图3所示的分离时序,级间分离与上面级姿态控制须要进行耦合设计,分离计算必须考虑上面级姿态控制力影响,分离动力学模型中需引入上面级姿态控制方程。

2 级间分离动力学与姿态控制模型

将分离体视为刚体,忽略箭体弹性响应建立级间分离动力学模型[3-4]。由于火箭为轴对称体,为简化分析,给出火箭俯仰平面的分离运动学与动力学方程,分离体受力示意图见图4。

图4 分离体受力示意图

(1)

(2)

式中:mu、md为分离上面级、下面级的质量;Jzu、Jzd为分离上面级、下面级的绕Z1轴的转动惯量;F2、F1为上面级发动机、下面级发动机的推力;δφu、δφd为上面级发动机、下面级发动机的摆角;φu、φd为分离上面级、下面级的俯仰角;Lu、Ld为上面级发动机、下面级发动机的摆心和质心的距离;Pu、Pd为上面级发动机产生的级间压力与喷流力对上面级、下面级的作用力。

火箭上面级俯仰通道姿态控制以上面级俯仰角偏差和俯仰角速度为控制输入[5],控制方程见式(3),控制网络见图5。

(3)

谈及此，无关又相关地想到了刘禹锡的《陋室铭》，其中说：“谈笑有鸿儒，往来无白丁。”现在鸿儒是多了，但白丁也多了，且白丁可能有鸿儒的学历。

图5 火箭上面级俯仰通道姿控网络

对式(1)～式(3)进行联合求解可实现分离动力学与姿态控制的耦合计算,获得分离上面级、下面级运动参数以及两体相对分离距离、分离速度、分离横移等分离参数。

3 分离与姿控耦合影响计算方法

分离与姿控耦合计算可采用基于上面级喷管最大摆动角速度的耦合计算方法,或基于上面级实时控制的耦合计算方法。前者不考虑姿态控制作用的闭环和动态过程,分离过程中喷管作用力按照分离干扰量进行处理,分离解锁后上面级发动机摆角按照伺服机构摆动角速度最大值摆动,摆动方向按照分离横移最不利的方向施加。后者通过姿控网络实时计算获得上面级发动机喷管摆角,属于闭环控制过程。

3.1 基于最大摆动角速度的耦合计算方法

1)偏差量设置:偏差量包括质量、质心、转动惯量偏差,发动机推力特性偏差,喷管摆角等;

2)仿真初始化:根据偏差量和分离体初始参数,对仿真模型进行初始化;

3)数值仿真:在分离运动随时间推进求解过程中,首先计算发动机摆角,然后计算上下面体所受合力与合力矩,最后通过数值积分得到速度、位移、姿态等分离体运动参数;

4)结果分析:对危险点动态间隙进行分析,若动态间隙未达到最大值,则对偏差量进行调整,重新进行仿真计算。

图6 基于最大摆动角速度的耦合计算流程

3.2 基于上面级实时控制耦合计算方法

基于上面级喷管最大摆动角速度的耦合计算,分离和姿控是完全独立考虑的两个环节,与火箭真实飞行过程中发动机摆动情况存在明显差异。实际飞行过程中,箭体姿控系统根据箭体姿态角和角速度等信息,通过姿控网络实时计算获得上面级发动机喷管摆角,属于闭环控制过程。基于上面级实时控制的耦合计算方法通过在分离动力学模型中引入姿控网络,进行分离与姿控的耦合计算,计算流程见图7。

图7 基于上面级实时控制的耦合计算流程

4 算例分析

以某型运载火箭为例,分别采用基于上面级喷管最大摆动角速度和基于上面级实时控制两种耦合计算方法,对级间分离与姿态控制力耦合影响进行研究,计算结果见图8、图9。

图8 俯仰通道发动机摆角比较

结果表明,采用基于上面级实时控制计算可以得到分离过程中上面级发动机实时摆角,喷管最大摆动角度小于基于最大摆动角速度计算结果。基于上面级实时控制计算得到的危险点最大分离横移为35 mm,小于基于最大摆动角速度计算的45 mm,实现了对分离过程的精确预示,为级间段仪器设备安装提供了准确的边界。

图9 危险点分离横移对比

5 结束语

上面级姿态控制力是影响运载火箭级间分离过程的关键因素,级间分离采用分离与姿控耦合设计,可以缩短上面级失控时间,为上面级起控创造有利条件。为分析分离与姿控耦合设计时的相互影响,文中建立了级间分离与姿控耦合计算模型,提出了基于上面级喷管最大摆动角速度和基于上面级实时控制的耦合计算方法,通过某型运载火箭级间分离计算表明,采用基于上面级实时控制的耦合计算方法,能够真实地反应级间分离运动过程,分离横移小于基于最大摆动角速度的计算结果,实现了对分离过程的精确预示,为箭上仪器设备安装边界设计提供准确依据。

[1] 郭凤美, 余梦伦. 导弹分离设计技术研究 [J]. 导弹与航天运载技术, 2014(1): 5-10.

[2] 沙建科, 徐敏, 施雨阳. 导弹级间分离干扰动力学仿真研究 [J]. 应用力学学报, 2014, 31(3): 364-369.

[3] 贾沛然, 陈克俊, 何力. 远程火箭弹道学 [M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1993: 36-48.

[4] 孙平, 刘昆. 小型固体运载器一、二级分离动力学与仿真研究 [J]. 国防科技大学学报, 2010, 32(2): 27-32.

[5] 杨涛, 王中伟, 张为华, 等. 导弹级间分离特性的数学分析研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2007, 27(2): 80-82.

Research on Coupling Interaction between Rocket Stage Separation and Attitude Control

ZHAI Zhangming1,2,ZHANG Jian2,LIN Song2,ZHOU Yilei2,XU Mingzhao

(1 College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technolog, Changsha 410073, China;2 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

In order to analyze coupling interaction between stage separation and attitude control, the method for calculating coupling between separation and attitude control was proposed based on upper-stage nozzle’s maximum swing angular velocity and real time control, and calculating model of coupling between stage separation and attitude control was established. According to calculation of stage separation of some certain rocket, the coupling calculating method based on upper-stage real-time control truly reveals stage separating process under upper-stage attitude control force, can provide precise reference for installing boundary design of rocket-borne equipment.

stage separation; attitude control; coupling influence

2015-05-18

翟章明(1979-),男,陕西商洛人,高级工程师,研究方向:火箭分离研究。

V421.7

A