运载火箭减载控制技术研究*

丁秀峰

(上海宇航系统工程研究所·上海·201109)

0 概 述

运载火箭减载控制是通过减小火箭飞行过程中的气动载荷,进而减小全箭载荷,以达到降低全箭结构质量,提高运载能力,同时达到提高发射概率的目的。对于现役火箭,减载的目的主要是提高发射概率,进行适应性改进;而对于新研火箭,可以降低结构质量,提高运载能力。

运载火箭减载控制可以分为两种,一种是被动减载,一种是主动减载。被动减载是根据射前的高空风的风向和风速,优化程序角,进而达到减载的目的;主动减载是通过在控制中引入攻角信息,以达到减小飞行攻角,降低载荷的目的。被动减载根据装订程序角的方式,分为事先装订和射前装订两种方式,事先装订根据概率风场,装订几条预先设计的程序角[1],射前装订根据射前-3h风场,优化程序角并进行装订。主动减载根据引入的攻角信息方式,一般分为直接测量和间接测量两种方式,直接测量通过攻角传感器获得飞行攻角,间接测量通过加速度计等信息进行减载控制。

根据减载控制的优点和工程应用上的可实现性,对其进行相关研究的学者较多[2-3]。本文主要从减载机理、工程应用方法和减载效果的评估等几个方面进行研究,以期运载火箭的减载技术能够有效地应用到工程实践中。

1 被动减载控制技术

1.1 被动减载的机理

被动减载是在火箭飞行过程中,由于受到风的影响,产生风攻角,为了降低风攻角的影响,使箭体预偏一个程序角,并使速度坐标系和箭体坐标系之间的夹角变小,进而达到被动减载的效果,具体如图1、图2所示。

图1 被动减载前的风侧滑角

图2 被动减载后的风侧滑角

以侧滑角为例进行分析。图1、图2中,O1X1为箭体纵轴,O1V为火箭速度,火箭飞行过程中,受到风速V w的作用,其合成速度为,则产生风侧滑角β1,进而产生气动干扰力。

采用被动减载后,预先设置偏航程序角,即使箭体向着来流的方向移动,则产生的侧滑角β1减小,进而气动干扰力较不减载时变小。俯仰、偏航程序角修正公式如下:

其中,φcx0、ψcx0表示未加高空风时标准弹道对应的一级飞行段俯仰、偏航程序角;Δαf、Δβf表示高空风引起的附加气动攻角;V fx、V fz表示高空风在火箭航向的平行和垂直分量;kα(t)、kβ(t)表示高空风减载用程序角调制系数。

1.2 被动减载的攻摆角计算方法

采用被动减载后,火箭的攻角和摆角都会相应地减小。下面分析如何确定被动减载后的攻角和摆角,具体可以分为以下三种方法。

1)将某一概率风场的最大风分成几档,并计算这几档的弹道程序角,然后根据这几档弹道程序角和相应的风,计算攻摆角值给载荷。由于弹道计算程序角时不考虑风场风向角的偏差,因此,计算攻摆角时考虑风场风向角的偏差,风向角偏差取45°。

2)将某一概率风场的最大风分成几档,生成相应的修正弹道。然后对所有风场样本进行qa计算,其中,对每条风场对应不同档次的弹道进行qa计算,以最小值作为输出结果,根据特定概率确定qa限幅值,该方法不需要考虑风向角偏差,适用于事先装订方案。

3)根据实测风场,优化计算每条风场的程序角,然后加20°风向角偏差,对该风场进行qa计算,获得qa值。通过对所有风场样本进行计算,获得每条风场的qa值,然后根据某一发射概率确定对应的qa限幅值,再考虑一定余量后,作为qa设计值,计算对应攻角、摆角给载荷,该方法比较适合射前装订模式。

2 主动减载控制技术

主动减载控制技术,一般通过安装加速度计,测量火箭的横向、法向视加速度,并引入控制回路,以达到降低火箭飞行攻角的目的,进而降低箭体载荷。下面分析引入加速度表反馈后,作用在箭体上的力矩载荷的大小。由于在静不稳定力矩最大时刻,由切变风引起的气动力矩载荷最大,所以主要讨论此种情况下的气动力矩载荷。

刚性箭体姿态运动方程,以俯仰为例[4]:

控制律为

则攻角和摆角为

引入加速度表反馈后,式中的分母增大,因此a w所产生的Δa+a w2与δφ都有所减小,即火箭的攻角和发动机摆角都有所减小,箭体的载荷减小。引入主动减载控制后,控制框图如图3所示。

图3 主动减载技术控制框图

3 减载效果分析

3.1 基于主动、被动减载火箭姿态控制

某火箭采用被动减载和主动减载技术时,根据发射场风场情况,设计减载弹道。采用被动减载时,取95%平稳风、99%切变风的概率风场,并分成两档,以适应发射场不同风速的变化,风向角偏差取45°,以适应发射场实际高空风与概率风场的偏差。主动减载采用加速度表,其放大系数为0.028。仿真结果如图4、图5所示。图4和图5分别给出了采用减载后火箭的攻角和发动机摆角,从仿真结果可以看出,采用被动加主动减载的方式,比单纯采用被动减载的方式要好,火箭攻角由6.5°降为5.8°,摆角由3.2°降为2.8°。

图4 采用减载后火箭的复合攻角

图5 采用减载后火箭的合成摆角

3.2 减载效果验证

采用减载措施后,能够降低飞行载荷,提高发射概率。对于已经研制好的火箭,主要体现在对发射场风场的适应性。当发射前的qa计算值超过qa限幅值时,通过采用被动、主动减载能够减低qa限幅值。当发射前qa计算值小于qa限幅值时,虽然不用采取措施降低qa值,但此时由于减载措施已经设置好,因此需要评估减载效果。本文给出一种比较可行的评估方法。火箭的视加速度方程为

式中,最后一项为结构干扰项,其推力线偏斜η包括随机量和系统量,通过多次飞行试验结果基本可以确定系统量的大小和极性,而随机量影响较小,因此可以确定η的数值。采用遥测获得的视加速度、角速度ωz和发动机摆角δφ,便可反算Δα+a w值。这里也有一定的飞行估算误差,主要是质量、气动数据需要采用理论计算值,但考虑到一级飞行到大风区,质量误差不是很大,因此适当考虑气动的偏差即可。图6所示为实际飞行反演和计算仿真曲线,从图6可以看出两者的趋势和数值基本一致。因此可以根据飞行结果的遥测值反演出攻角,进而确定减载的效果。

图6 仿真攻角和飞行结果反演攻角的比较

4 结 论

本文对运载火箭的减载机理、工程应用方法和减载效果评估等方面进行了研究。分析与仿真结果表明,火箭采用被动、主动减载能够降低飞行的攻角和发动机摆角,进而降低箭体载荷,采用概率风场的被动减载和基于加速度表的主动减载方法具有明显的工程应用价值。