运载火箭分离与姿控联合仿真方法研究

2015-02-02翟章明周一磊张耐民王旭刚

兵器装备工程学报 2015年12期

关键词：姿态控制分离

张　健,翟章明，周一磊，张耐民，王旭刚

(北京宇航系统工程研究所，北京　100076)

运载火箭分离与姿控联合仿真方法研究

张健,翟章明，周一磊，张耐民，王旭刚

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

摘要：运载火箭级间分离和其他长行程分离过程中，上面级姿态控制力对分离两体间隙影响较为显著，在分离设计过程中必须开展姿控与分离联合仿真；基于多学科CAD/CAE分析工具联合建模与仿真，研究了运载火箭姿控与分离联合仿真建模方法与仿真流程，实现了运载火箭分离与姿控快速建模，以及三维可视化分离仿真，为分离过程精确预示与仿真分析提供了有力支撑。

关键词：分离；姿态控制；联合仿真

本文引用格式：张健,翟章明，周一磊，等.运载火箭分离与姿控联合仿真方法研究[J].四川兵工学报，2015(12):14-17.

Citation format:ZHANG Jian, ZHAI Zhang-ming, ZHOU Yi-lei, et al.Research on Co-Simulation Method with Stability Control and Separation of Launch Vehicle[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):14-17.

Research on Co-Simulation Method with Stability Control

and Separation of Launch Vehicle

ZHANG Jian, ZHAI Zhang-ming, ZHOU Yi-lei, ZHANG Nai-min, WANG Xu-gang

(Beijing Aerospace Systems Engineering Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:The stage-separation of launch vehicle is a long distance separation. Up-stage stability control force has remarkable impact on separation-space, and co-simulation with stability control and separation is needed in separation design. Based on CAD/CAE tools, the co-simulation modeling method and simulation process was researched, and the launch vehicle attitude control and separation joint simulation modeling method and simulation process were analyzed, which the fast modeling of rocket separation and attitude control and 3 D visualization separation simulation were achieved, which provides a strong support for accurate predictor and the simulation analysis of separation process.

Key words:separation; stability control; co-simulation

运载火箭在任务飞行过程中要经历级间分离、整流罩分离、有效载荷分离等多个分离环节，分离过程是一个瞬态过程，分离设计涉及多体动力学、空气动力学、结构动力学、姿态控制等多个学科，关系到运载火箭外形选择与布局、设计参数选取、飞行程序设计等多个方面，是火箭设计的关键环节。在火箭级间分离和其他长行程分离过程中，上面级姿态控制力对分离两体间隙影响较为显著，在分离设计过程中必须开展姿控与分离联合仿真，对分离过程进行精确分析。

1姿控与分离联合仿真目的

分离仿真是分离设计的基础，为提高分离仿真预示精度，更好地服务于工程设计，经过多年发展，分离仿真技术从二维仿真发展到三维六自由度仿真，从自编程仿真发展到数字样机仿真，从单一学科仿真发展到多学科联合仿真[1]，分离仿真考虑的影响因素日臻完善，仿真预示精度逐渐提高。姿控与分离联合仿真的目的是通过姿态控制模型与分离动力学模型的耦合计算，进行姿控与分离联合仿真，实现分离过程的精确预示，指导分离设计[2]。

国外，在X-43A、X-51A高超声速飞行器研究中，遇到复杂低空高超声速气动分离问题，分离环境复杂，分离体对姿态偏差和稳定性要求高，通过建立姿控系统、分离系统全程联合仿真平台，实现了分离过程的精确预示，指导了飞行器分离和姿控系统的方案设计。国内，在运载火箭级间分离及其他长行程、小间隙分离过程中，上面级姿态控制力对分离运动过程产生较大影响，必须开展姿控与分离联合仿真。

2姿控与分离联合仿真方法

姿控与分离联合仿真涉及姿态控制学、多体动力学，以及分离间隙与碰撞检测等多个学科的数学模型。分离过程重点关注分离碰撞，由于分离两体接触部位外形复杂，分离碰撞位置难以精确确定，因此在分离仿真时，首先建立分离体几何模型，针对易碰危险点建立分离间隙与碰撞检测模型[3]，然后施加分离作用力和作用力矩，其中姿态控制力由姿态控制模型解算获得，最后生成考虑姿态控制的多体动力学模型。姿控与分离联合仿真可采用自编程和基于多学科CAD/CAE工具两种手段。

自编程实现碰撞检测十分困难，通常两个形状简单的物体碰撞需要大量的代码实现，同时自编程实现三维可视化仿真的难度较大，难以直观地观察分离过程。基于不同学科的CAD/CAE分析工具进行联合建模与仿真，可充分利用各学科分析工具的优势实现快速建模，以及三维、可视化仿真。例如，通过三维建模工具建立火箭上、下面级三维几何模型，导入多体动力学分析工具中，建立多体动力学及分离间隙与碰撞检测模型，并完成上面级姿态控制模型输入、输出参数的定义；然后，在控制仿真工具中建立上面级姿态控制模型，进行多体动力学和控制仿真工具的接口连接与调试；最后，通过多体动力学与控制仿真工具的联合计算，实现姿控与分离联合仿真。

本文重点讨论了基于三维建模工具CATIA、多体动力学分析工具ADAMS和控制仿真工具Matlab/Simulink进行姿控与分离联合仿真的建模方法与仿真流程。

2.1　建模方法

CATIA是目前常用的基于参数化建模的三维建模工具，具有强大的几何建模、模型装配和约束定义功能，生成的结构化几何模型可实现与ADAMS无缝对接。

ADAMS多体系动力学仿真工具具备多体动力学仿真、碰撞检测、一体化仿真显示、参数化设计与分析功能，与多个CAD/CAE工具留有通用接口。ADAMS采用成熟的拉格朗日运动方程，对每个刚体列出6个广义带乘子的拉格朗日运动方程及其相应的约束方程。对于运载火箭上、下面级分离建立如下的动力学模型：

其中:K为动能；qjk为描述系统广义坐标；ψi为系统约束方程；Fj为广义坐标方向的广义力；λi为m×1拉格朗日乘子列阵；_up为火箭上面级；_down为火箭下面级。

分离碰撞检测是分离仿真的难题，ADAMS在碰撞判断方面建立了成熟的碰撞计算模型，提供了补偿法和冲击函数法两种碰撞计算方法，并可直观地获得碰撞位置与碰撞力。ADAMS在与控制仿真工具进行联合计算时提供了ADAMS/Controls模块，在ADAMS模型中定义状态变量作为控制模型的输入变量，状态变量一般为火箭上面级的位置、速度、角度、角速度；同时在ADAMS模型中定义控制模型的输出变量，输出变量一般为火箭上面级发动机喷管摆角或喷管开关控制量等。

Matlab/Simulink是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境，利用控制系统工具箱可快速地建立复杂的控制系统模型，SIMULINK提供了丰富的接口模块，可与ADAMS进行联合计算。

基于CATIA、ADAMS、Matlab/Simulink联合计算，实现姿控与分离联合仿真的建模与仿真流程见图1。

图1　建模与仿真流程

通过CATIA建立火箭上、下面级参数化的几何模型，对于外形或构成复杂的分离体，可以利用装配完成分离两体建模。然后定义分离体相互约束的运动副，最终生成由几何参数、装配参数、约束参数组成结构化几何模型。

将结构化几何模型导入ADAMS，在分离体几何模型上施加分离相关的作用力及作用力矩，建立分离间隙与碰撞检测模型，生成分离动力学计算模型。并在ADAMS中建立控制系统输入、输出变量，并通过ADAMS/Controls模块完成与Matlab/Simulink的接口定义。

在Matlab/Simulink中搭建姿控系统模型，完成与ADAMS的接口调试和仿真参数设置，如仿真步长、仿真时间、积分算法等，最终完成姿控与分离联合仿真建模。

2.2　仿真流程

仿真计算时，ADAMS求解动力学与运动学方程，Matlab/Simulink求解姿态控制方程，通过ADAMS/CONTROL完成数据交换，共同完成姿控与分离的联合计算。计算时可通过网络实现多台计算机并行计算，提高仿真效率。姿控与分离联合仿真数据信息流见图2。

图2　姿控与分离联合仿真信息流

3联合仿真在运载火箭分离仿真中的应用

某运载火箭级间分离为真空分离，接收到分离指令并解锁后，下面级受4台反推火箭作用向下运动远离上面级实现分离，分离干扰使得上面级姿态发生变化，上面级底部的16个姿控喷管按照控制系统指令开启和关闭实施姿态控制。由于分离行程达到2.5 m，分离时间持续约0.3 s，上面级主发动机喷管与下面级舱段的仪器设备距离较近，属于长行程小间隙分离问题，必须考虑上面级姿态控制力影响，进行姿控与分离联合仿真分析。

在CATIA中建立了火箭上、下面级的三维几何模型，分离前上下两体采用固定约束。将几何模型导入ADAMS后，施加分离火箭反推力、下面级发动机后效力，以及上面级姿态控制力，生成全量六自由度分离动力学模型，见图3。

图3　火箭级间分离几何模型与多体动力学模型

姿态控制力由上面级底部的16个姿控喷管的组合开关提供。以上面级俯仰通道姿态控制为例，俯仰角偏差Δφa作为控制输入，考虑喷管继电特性，经姿控网络计算后生成喷管开关量，控制16个喷管的开启与关闭，见图4。

图4　俯仰通道姿态控制网络

在ADAMS中定义上面体俯仰、偏航、滚动角偏差Δφ,Δψ,Δγ为姿控模型的输入参数，并定义姿控喷管开关量K1,K2…Ki…K16为姿控模型输出参数，Ki为第i个喷管开关量，Ki=1喷管开启，Ki=0喷管关闭。然后通过ADAMS/Controls模块完成与Matlab/Simulink的接口定义，上面级姿态控制模型通过Simulink建立，Adams与Matlab联合仿真计算框图见图5。

图5　Adams与Matlab联合仿真计算框图

联合仿真时每随时间步长推进求解一步，ADAMS即输出当前姿态角偏差参数，并传递给Matlab，经Simulink姿控模型解算获得姿控喷管开关量，传递给ADAMS用于姿态控制力计算，直至仿真结束。通过姿控与分离联合仿真，分析了上面级有控和无控状态下的两体分离参数的差异，考虑上面级姿态控制后，上面级姿态发散趋势得到控制，易碰点分离间隙小于无控状态，见图6~图9。

图6　上面级俯仰角偏差对比

图7　上面级偏航角偏差对比

图9　易碰点分离间隙对比

4结束语

基于CATIA、ADAMS和Matlab/Simulink联合建模与仿真，研究了运载火箭姿控与分离联合仿真建模方法与仿真流程，通过充分利用各学科分析工具优势，实现了分离快速建模，以及三维可视化仿真，有效解决了分离间隙与碰撞检测难题，实现了分离过程的精确预示。本文建立的基于多学科CAD/CAE分析工具的分离与姿控联合仿真方法具有通用性，可广泛应用于火箭分离仿真研究。

参考文献：

[1]宋军.虚拟现实技术在飞行器级间分离仿真中的应用[J].飞行力学,2004,22(1):60-63.

[2]张久星.基于ADAMS的内装式空射运载火箭分离过程动力学分析[J].弹箭与制导学报,2011,31(2):153-155.

[3]张科南.某飞行器级间分离气动力/约束力/飞力综合建模与仿真[J].系统仿真学报,2012,24(10):2227-2229.(责任编辑周江川)