一種活動發(fā)射平臺軌道行走理想速度曲線設(shè)計

李道平，楊之江，劉麗媛，邢 然，許學(xué)雷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)是活動發(fā)射平臺的重要組成部分，用于控制活動發(fā)射平臺承載運載火箭按照特定的軌道和速度曲線實現(xiàn)技術(shù)廠房與發(fā)射工位間的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)。某航天發(fā)射基地軌道為直線軌道，沿途設(shè)置2 處變軌道岔，見圖1。活動發(fā)射平臺需在直線軌道上在規(guī)定時間內(nèi)安全、平穩(wěn)、可靠地將運載火箭轉(zhuǎn)運至發(fā)射工位。理想速度曲線設(shè)計是活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，開展活動發(fā)射平臺軌道行走理想速度曲線設(shè)計、確保驅(qū)動控制系統(tǒng)順利運行、實現(xiàn)平臺順利轉(zhuǎn)運是工程研制的重點和難點。

圖1 活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)運軌道Fig.1 The Transport Track of Mobile Launch Platform

圍繞活動發(fā)射平臺垂直轉(zhuǎn)運過程，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究。國外相關(guān)文獻資料較少，主要圍繞發(fā)射平臺的轉(zhuǎn)運方式開展描述，在速度曲線方面未見相關(guān)報道。文獻[1]～[3]對國內(nèi)外最早的活動發(fā)射平臺做了簡要介紹，對其主要速度指標(biāo)進行定量描述；文獻[4]給出了某運載型號活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要組成及轉(zhuǎn)運的主要指標(biāo)要求；文獻[5]對帶有柔性機構(gòu)活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)運差速行走的可行性進行了分析。文獻[6]通過仿真給出了活動發(fā)射平臺速度上限的要求，并通過試驗測量了運行過程中的振動加速度值滿足任務(wù)要求；文獻[7]對活動發(fā)射平臺在圓弧曲線上的速度控制開展了研究。針對活動發(fā)射平臺的垂直轉(zhuǎn)運流程，目前相關(guān)理想速度曲線設(shè)計方面工作尚未開展。速度曲線是活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，對活動發(fā)射平臺的功能和性能有重要影響。以某運載型號活動發(fā)射平臺為研究對象，圍繞直線軌道運行、經(jīng)過道岔、終點減速及定位的垂直轉(zhuǎn)運全流程，開展活動發(fā)射平臺軌道行走理想速度曲線設(shè)計，與試驗結(jié)果對比分析，給出合理設(shè)計值，驗證其合理性。

1 系統(tǒng)組成

活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由上位機、控制面板、下位機、變頻器和限位傳感器等設(shè)備組成。上位機和控制面板將控制信號給定下位機，下位機利用Profibus-DP 總線控制變頻器拖動電機運行。均勻分布于行走裝置上的16臺電機驅(qū)動行走裝置輪組的運行實現(xiàn)活動發(fā)射平臺的運行。系統(tǒng)通過限位傳感器反饋電機的運行狀態(tài)等信息，實現(xiàn)活動發(fā)射平臺直線軌道行走、終點減速、精確定位和運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。驅(qū)動控制系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 某活動發(fā)射平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)原理Fig.2 The Schematic of Drive Control System of Mobile Launch Platform

2 理想速度曲線設(shè)計

活動發(fā)射平臺需要在有限的時間內(nèi)完成運載火箭的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)，最終定位精度范圍要求±15 mm，轉(zhuǎn)運過程中要保證上部運載火箭加速度不大于0.02g（g為重力加速度）。根據(jù)圖1 所示的發(fā)射場軌道的布局，活動發(fā)射平臺需完成出技術(shù)廠房、經(jīng)過道岔I、經(jīng)過長直軌道、經(jīng)過道岔II、到達發(fā)射區(qū)減速停止。

2.1 總體設(shè)計

為保證有限時間3 h（不含因任務(wù)需要停止的時間）內(nèi)完成運載火箭的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)，根據(jù)軌道總長度約2800 m，活動發(fā)射平臺平均速度應(yīng)不低于約15.56 m/min。根據(jù)以往型號產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，考慮空載返回工況，設(shè)計直線軌道最高速度30 m/min；為保證加減速過程正常，采用分段加減速設(shè)計，共設(shè)置4 m/min、10 m/min、15 m/min、20 m/min、25 m/min、30 m/min 6 個速度檔，其中活動發(fā)射平臺載有運載火箭時最大速度為25 m/min。

由于在道岔上軌道存在縫隙，為了避免活動發(fā)射平臺經(jīng)過縫隙時出現(xiàn)顛簸造成變頻器出現(xiàn)過壓或過流報警，初步設(shè)計經(jīng)過道岔時速度降低為15 m/min；根據(jù)初步速度設(shè)計，由于活動發(fā)射平臺大部分時間運行在最大速度25 m/min 的狀態(tài)，所以如果不考慮加減速的時間，粗略估計轉(zhuǎn)運時間時可以用軌道長度除以25 m/min 估算轉(zhuǎn)場時間約為T=2800/25/60≈1.86 h。

2.2 理想速度曲線斜率設(shè)計

理想速度曲線斜率是活動發(fā)射平臺加速與減速時的加速度，與活動發(fā)射平臺的加減速時間成反比。加速時間是指變頻器輸出頻率從零上升到最大頻率所需時間，減速時間是指變頻器輸出頻率從最大頻率下降到零所需時間。加減速時間與活動發(fā)射平臺運行的加速度成反比；為提高轉(zhuǎn)場效率，降低轉(zhuǎn)運時間，活動發(fā)射平臺應(yīng)盡量工作在最大速度25 m/min，即加速度應(yīng)越大越好，加減速時間應(yīng)越短越好，但是加減速時間受運載火箭加速度要求及活動發(fā)射平臺和軌道限制。其次加速時間越短，容易導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過流報警，而減速時間過短易發(fā)生變頻器過壓報警，因此需合理設(shè)計加減速時間。根據(jù)運載火箭轉(zhuǎn)場時振動加速度不大于0.02g的要求，同時考慮活動發(fā)射平臺的質(zhì)量及變頻器的能力及借鑒以往型號設(shè)計經(jīng)驗，初步設(shè)定加速時加速度為0.0125 m/s2≈0.0013g，減速時加速度為0.0083 m/s2≈0.00085g，既可以保證加減速過程的安全性也能保證轉(zhuǎn)運的效率。

2.3 終點定位設(shè)計

為保證活動發(fā)射平臺到位停止時定位準(zhǔn)確，提升重復(fù)定位精度，采用2 次減速控制策略：在4～0 m/min之間增加1 個速度檔位，該速度越低，活動發(fā)射平臺重復(fù)定位精度越好，但是速度較低時，電機輸入頻率與輸出頻率呈非線性狀態(tài)，為保證該速度下活動發(fā)射平臺仍然能夠穩(wěn)定運行，該速度檔位設(shè)定為0.8 m/min。實際使用時，活動發(fā)射平臺安裝終點停止限位傳感器，軌道上安裝對應(yīng)的感應(yīng)裝置，終點停止限位傳感器第1次觸發(fā)時，將速度減速至0.8 m/min，終點停止限位傳感器第2 次觸發(fā)時，將速度減速至0 m/min。

2.4 理想速度曲線

由2.1 至2.3 節(jié)，繪制出活動發(fā)射平臺由技術(shù)區(qū)到發(fā)射區(qū)和由發(fā)射區(qū)返回技術(shù)區(qū)的理想速度曲線見圖3。

圖3 理想速度曲線（技術(shù)廠房-＞發(fā)射工位）Fig 3 The Perfect Speed Curve（Testing Area -＞Launch Area）

以由技術(shù)區(qū)到發(fā)射工位為例，在運行過程中，活動發(fā)射平臺依次經(jīng)歷技術(shù)廠房啟動，分段加速至15 m/min，經(jīng)過道岔I，加速至25 m/min，經(jīng)過長直軌道，分段減速至15 m/min，經(jīng)過道岔II，到達發(fā)射工位，減速定位。活動發(fā)射平臺由發(fā)射工位返回技術(shù)廠房過程同理，其中不運載火箭時速度最大可達30 m/min。

3 試驗結(jié)果

為驗證上述速度曲線設(shè)計的合理性，活動發(fā)射平臺于某發(fā)射場開展行走試驗。以技術(shù)區(qū)至發(fā)射區(qū)為例，運行過程中16 臺電機的頻率、電壓和電流曲線如圖4～6 所示，圖4 中，由于采用開環(huán)V/F 控制，所以16 臺電機頻率一致，其中頻率與活動發(fā)射平臺速度成正比，46.88 Hz 對應(yīng)25 m/min。

由圖4 可知，除根據(jù)任務(wù)需要活動發(fā)射平臺停止1 次外，實際活動發(fā)射平臺運行過程中的頻率曲線與圖3理想速度曲線全程在圖像走勢和趨勢上基本一致，在直線軌道時，各電機速度給定一致。由圖5 可知，16 臺電機電壓平穩(wěn)，無過電壓和欠電壓現(xiàn)象，由圖5和圖6 可知，電機壓頻比基本一致，運行狀態(tài)良好。由圖6 可知，整個轉(zhuǎn)運過程中16 臺電機電流平穩(wěn)，雖然部分路段電流略有波動，但是仍處于正常運行的額定值（57 A）內(nèi)，無過流現(xiàn)象。由圖4～6 橫坐標(biāo)可知，轉(zhuǎn)運時間約2 h 7 min，滿足3 h 之內(nèi)任務(wù)要求。

圖5 電壓曲線Fig.5 The Curve of Voltage

圖6 電流曲線Fig.6 The Curve of Current

綜上所述，活動發(fā)射平臺按照理想速度曲線運行，電機運行正常，壓頻比基本一致，無過流和過載等風(fēng)險，轉(zhuǎn)運時間滿足要求，能夠順利完成運載火箭的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)，因此速度曲線設(shè)計合理可行。

4 結(jié)束語

為確保活動發(fā)射平臺在轉(zhuǎn)運軌道上完成運載火箭的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)，為其理想速度曲線開展了技術(shù)設(shè)計，試驗證明按照該速度曲線運行，可以實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在轉(zhuǎn)運軌道上的行走，滿足任務(wù)要求，有效地提高了活動發(fā)射平臺的總體性能，順利完成運載火箭的垂直轉(zhuǎn)運任務(wù)。[1] 張福全.國外活動發(fā)射平臺述評[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),1996(2):49-59.