運載火箭減載控制技術研究*

丁秀峰

(上海宇航系統工程研究所·上海·201109)

0 概 述

運載火箭減載控制是通過減小火箭飛行過程中的氣動載荷,進而減小全箭載荷,以達到降低全箭結構質量,提高運載能力,同時達到提高發射概率的目的。對于現役火箭,減載的目的主要是提高發射概率,進行適應性改進;而對于新研火箭,可以降低結構質量,提高運載能力。

運載火箭減載控制可以分為兩種,一種是被動減載,一種是主動減載。被動減載是根據射前的高空風的風向和風速,優化程序角,進而達到減載的目的;主動減載是通過在控制中引入攻角信息,以達到減小飛行攻角,降低載荷的目的。被動減載根據裝訂程序角的方式,分為事先裝訂和射前裝訂兩種方式,事先裝訂根據概率風場,裝訂幾條預先設計的程序角[1],射前裝訂根據射前-3h風場,優化程序角并進行裝訂。主動減載根據引入的攻角信息方式,一般分為直接測量和間接測量兩種方式,直接測量通過攻角傳感器獲得飛行攻角,間接測量通過加速度計等信息進行減載控制。

根據減載控制的優點和工程應用上的可實現性,對其進行相關研究的學者較多[2-3]。本文主要從減載機理、工程應用方法和減載效果的評估等幾個方面進行研究,以期運載火箭的減載技術能夠有效地應用到工程實踐中。

1 被動減載控制技術

1.1 被動減載的機理

被動減載是在火箭飛行過程中,由于受到風的影響,產生風攻角,為了降低風攻角的影響,使箭體預偏一個程序角,并使速度坐標系和箭體坐標系之間的夾角變小,進而達到被動減載的效果,具體如圖1、圖2所示。

圖1 被動減載前的風側滑角

圖2 被動減載后的風側滑角

以側滑角為例進行分析。圖1、圖2中,O1X1為箭體縱軸,O1V為火箭速度,火箭飛行過程中,受到風速V w的作用,其合成速度為,則產生風側滑角β1,進而產生氣動干擾力。

采用被動減載后,預先設置偏航程序角,即使箭體向著來流的方向移動,則產生的側滑角β1減小,進而氣動干擾力較不減載時變小。俯仰、偏航程序角修正公式如下:

其中,φcx0、ψcx0表示未加高空風時標準彈道對應的一級飛行段俯仰、偏航程序角;Δαf、Δβf表示高空風引起的附加氣動攻角;V fx、V fz表示高空風在火箭航向的平行和垂直分量;kα(t)、kβ(t)表示高空風減載用程序角調制系數。

1.2 被動減載的攻擺角計算方法

采用被動減載后,火箭的攻角和擺角都會相應地減小。下面分析如何確定被動減載后的攻角和擺角,具體可以分為以下三種方法。

1)將某一概率風場的最大風分成幾檔,并計算這幾檔的彈道程序角,然后根據這幾檔彈道程序角和相應的風,計算攻擺角值給載荷。由于彈道計算程序角時不考慮風場風向角的偏差,因此,計算攻擺角時考慮風場風向角的偏差,風向角偏差取45°。

2)將某一概率風場的最大風分成幾檔,生成相應的修正彈道。然后對所有風場樣本進行qa計算,其中,對每條風場對應不同檔次的彈道進行qa計算,以最小值作為輸出結果,根據特定概率確定qa限幅值,該方法不需要考慮風向角偏差,適用于事先裝訂方案。

3)根據實測風場,優化計算每條風場的程序角,然后加20°風向角偏差,對該風場進行qa計算,獲得qa值。通過對所有風場樣本進行計算,獲得每條風場的qa值,然后根據某一發射概率確定對應的qa限幅值,再考慮一定余量后,作為qa設計值,計算對應攻角、擺角給載荷,該方法比較適合射前裝訂模式。

2 主動減載控制技術

主動減載控制技術,一般通過安裝加速度計,測量火箭的橫向、法向視加速度,并引入控制回路,以達到降低火箭飛行攻角的目的,進而降低箭體載荷。下面分析引入加速度表反饋后,作用在箭體上的力矩載荷的大小。由于在靜不穩定力矩最大時刻,由切變風引起的氣動力矩載荷最大,所以主要討論此種情況下的氣動力矩載荷。

剛性箭體姿態運動方程,以俯仰為例[4]:

控制律為

則攻角和擺角為

引入加速度表反饋后,式中的分母增大,因此a w所產生的Δa+a w2與δφ都有所減小,即火箭的攻角和發動機擺角都有所減小,箭體的載荷減小。引入主動減載控制后,控制框圖如圖3所示。

圖3 主動減載技術控制框圖

3 減載效果分析

3.1 基于主動、被動減載火箭姿態控制

某火箭采用被動減載和主動減載技術時,根據發射場風場情況,設計減載彈道。采用被動減載時,取95%平穩風、99%切變風的概率風場,并分成兩檔,以適應發射場不同風速的變化,風向角偏差取45°,以適應發射場實際高空風與概率風場的偏差。主動減載采用加速度表,其放大系數為0.028。仿真結果如圖4、圖5所示。圖4和圖5分別給出了采用減載后火箭的攻角和發動機擺角,從仿真結果可以看出,采用被動加主動減載的方式,比單純采用被動減載的方式要好,火箭攻角由6.5°降為5.8°,擺角由3.2°降為2.8°。

圖4 采用減載后火箭的復合攻角

圖5 采用減載后火箭的合成擺角

3.2 減載效果驗證

采用減載措施后,能夠降低飛行載荷,提高發射概率。對于已經研制好的火箭,主要體現在對發射場風場的適應性。當發射前的qa計算值超過qa限幅值時,通過采用被動、主動減載能夠減低qa限幅值。當發射前qa計算值小于qa限幅值時,雖然不用采取措施降低qa值,但此時由于減載措施已經設置好,因此需要評估減載效果。本文給出一種比較可行的評估方法。火箭的視加速度方程為

式中,最后一項為結構干擾項,其推力線偏斜η包括隨機量和系統量,通過多次飛行試驗結果基本可以確定系統量的大小和極性,而隨機量影響較小,因此可以確定η的數值。采用遙測獲得的視加速度、角速度ωz和發動機擺角δφ,便可反算Δα+a w值。這里也有一定的飛行估算誤差,主要是質量、氣動數據需要采用理論計算值,但考慮到一級飛行到大風區,質量誤差不是很大,因此適當考慮氣動的偏差即可。圖6所示為實際飛行反演和計算仿真曲線,從圖6可以看出兩者的趨勢和數值基本一致。因此可以根據飛行結果的遙測值反演出攻角,進而確定減載的效果。

圖6 仿真攻角和飛行結果反演攻角的比較

4 結 論

本文對運載火箭的減載機理、工程應用方法和減載效果評估等方面進行了研究。分析與仿真結果表明,火箭采用被動、主動減載能夠降低飛行的攻角和發動機擺角,進而降低箭體載荷,采用概率風場的被動減載和基于加速度表的主動減載方法具有明顯的工程應用價值。