基于拔銷器鎖定的飛行器氣動(dòng)控制面解鎖控制方法

姚 旺，趙曉寧，周國峰，孫 崢，雷 豹

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

1 引言

大氣層內(nèi)飛行器一般具有多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)控制面，根據(jù)氣動(dòng)布局的不同可以是舵面或翼面，用于提供氣動(dòng)控制力及控制力矩。根據(jù)工作時(shí)序的設(shè)計(jì)，飛行器飛行過程中的某些時(shí)段內(nèi)，這些氣動(dòng)控制面需要保持固定轉(zhuǎn)角，其余時(shí)段則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)控制。因此，在舵面或翼面保持固定轉(zhuǎn)角的飛行時(shí)段，需要設(shè)計(jì)專門的鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對氣動(dòng)控制面的鎖定，并根據(jù)需要在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行解鎖，隨后即可對舵面或翼面轉(zhuǎn)角實(shí)施控制[1-3]?？煽康逆i定與解鎖技術(shù)是保證飛行控制品質(zhì)的前提，尤其是隨著變形飛行器等新概念飛行控制技術(shù)的發(fā)展，使得飛行器舵面或翼面的鎖定與解鎖技術(shù)在飛控系統(tǒng)中更為關(guān)鍵[4-7]，很有必要對其相關(guān)的工作機(jī)制開展理論和試驗(yàn)研究。

當(dāng)前，飛行器舵面或翼面的鎖定主要采用舵面或翼面鎖定和伺服機(jī)構(gòu)鎖定2種方式。舵面或翼面鎖定一般采用機(jī)械式的拔銷器鎖定方案，在鎖定時(shí)利用拔銷器的鎖銷約束舵面或翼面，在解鎖時(shí)解除銷軸對舵面或翼面的約束，即可使得舵面或翼面自由擺動(dòng)；伺服機(jī)構(gòu)鎖定方式通過在伺服系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)電機(jī)鎖，通過電控手段鎖定伺服作動(dòng)器內(nèi)部的電機(jī)，使得電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舵面或翼面的鎖定。以上2種鎖定方式均可以實(shí)現(xiàn)飛行器舵面或翼面的可靠鎖定，相比之下伺服機(jī)構(gòu)鎖定方式需要在伺服系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)電機(jī)鎖，一方面會(huì)增大伺服系統(tǒng)體積，不利于在空間約束強(qiáng)的小型飛行器中使用；另一方面，其鎖定的可靠性低于機(jī)械式的拔銷器銷軸鎖定方案，易出現(xiàn)不可靠鎖定的問題[8-12]。因此，本文主要研究機(jī)械式拔銷器鎖定方案。

傳統(tǒng)的機(jī)械式拔銷器解鎖方法為保證可靠性，通常一路舵面或翼面需要兩路時(shí)序資源，且拔銷器銷軸縮回的過程中易出現(xiàn)與舵面或翼面卡滯的問題，同時(shí)在判斷解鎖狀態(tài)時(shí)一般需要增加額外的硬件資源(例如行程開關(guān)等)。針對以上問題，本文從以下幾個(gè)方面開展研究工作：① 提出了一種基于關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的氣動(dòng)控制面鎖定狀態(tài)查詢方法，用于實(shí)現(xiàn)鎖定狀態(tài)的可靠查詢與獲??；② 設(shè)計(jì)了一種拔銷器驅(qū)動(dòng)線路綜合冗余設(shè)計(jì)方案，利用少量的驅(qū)動(dòng)資源實(shí)現(xiàn)飛行器多路舵面或翼面的可靠解鎖；③ 通過設(shè)計(jì)銷器解鎖時(shí)刻與舵面或翼面受控時(shí)刻的精確配合時(shí)序，有效防止解鎖過程中出現(xiàn)銷軸卡滯；④ 提出了一種簡易的解鎖狀態(tài)判定方法，不依托額外的硬件資源實(shí)現(xiàn)了飛行器舵面或翼面解鎖狀態(tài)的可靠判定。最后，通過地面原理性試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性。

2 機(jī)械式拔銷器鎖定方案

基于機(jī)械式拔銷器的飛行器舵面或翼面鎖定原理如圖1所示。在鎖定狀態(tài)，通過將拔銷器的銷軸插入至舵面或翼面的銷孔中，利用銷軸實(shí)現(xiàn)對舵面或翼面的約束；解鎖時(shí)，為拔銷器設(shè)計(jì)電氣驅(qū)動(dòng)信號，拔銷器中的換能元將電能轉(zhuǎn)化為熱能，引燃始發(fā)裝藥，經(jīng)過輸出裝藥能量放大，最終產(chǎn)生高溫高壓氣體進(jìn)入拔銷器的容腔內(nèi)，推動(dòng)銷軸剪斷止動(dòng)銷的限制，克服加載在銷軸上的載荷，使銷軸回縮。銷軸在回縮規(guī)定距離后，由止退結(jié)構(gòu)鎖定，實(shí)現(xiàn)解除鎖定過程不可逆。拔銷器銷軸縮回后，舵面或翼面的約束解除，可以受控進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 舵面或翼面鎖定原理示意圖Fig.1 Principle of rudder or wing locking

3 舵面或翼面解鎖控制方法

3.1 舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢

為防止飛行器鎖定的舵面或翼面意外解鎖帶來危害，在飛行器發(fā)射前或舵面或翼面解鎖前，一般需要監(jiān)測舵面或翼面的鎖定狀態(tài)。實(shí)時(shí)查詢舵面或翼面鎖定狀態(tài)將帶來極大的系統(tǒng)資源消耗，同時(shí)可能帶來誤判舵面或翼面解鎖的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種舵面或翼面鎖定狀態(tài)的查詢方法，其查詢流程如圖2所示。在飛行器飛行程序中選取多個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，在這些時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行鎖定狀態(tài)查詢。關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的選取需要結(jié)合飛行器舵面和翼面解鎖前的飛行程序，至少應(yīng)包含上電自檢時(shí)刻和解鎖前時(shí)刻，以確保飛行器上電時(shí)刻和解鎖前時(shí)刻舵面和翼面處于鎖定狀態(tài)，其余關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)可根據(jù)具體飛行程序選取，一般結(jié)合飛行器其余動(dòng)作一并開展(例如初始對準(zhǔn)等)，時(shí)間間隔不宜過于密集，避免增加額外的誤判風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢流程示意圖Fig.2 Inquiry process of rudder or wing locking status

在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢時(shí)，一般基于當(dāng)前舵面或翼面的擺角進(jìn)行判定。由于舵面或翼面下緣開孔與拔銷器銷軸之間存在間隙，因此鎖定狀態(tài)的舵面或翼面仍會(huì)存在小角度的擺角。假設(shè)舵面或翼面在鎖定狀態(tài)的極限擺角為θ，考慮到舵面或翼面轉(zhuǎn)角位置的采樣誤差，判斷舵面或翼面鎖定的判據(jù)需要設(shè)計(jì)為θ+Δθ(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Δθ一般取值在0.5°～2°之間)。

綜上所述，在飛行器上電時(shí)刻、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、舵面或翼面解鎖前等時(shí)刻，可以連續(xù)多次獲取舵面或翼面當(dāng)前的擺角，若全部舵面或翼面的當(dāng)前擺角θ0均未超過θ+Δθ，則判定舵面或翼面處于可靠鎖定狀態(tài)；若某次θ0超過θ+Δθ，則判定為舵面或翼面未正常鎖定，轉(zhuǎn)為執(zhí)行相應(yīng)的安全性設(shè)計(jì)措施。

3.2 拔銷器驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)

為保證飛行器舵面或翼面的可靠解鎖，拔銷器需要設(shè)計(jì)為雙路冗余電流驅(qū)動(dòng)控制，只需任意一路驅(qū)動(dòng)線路有效，拔銷器的銷軸即可實(shí)現(xiàn)可靠縮回與鎖定。在飛行器實(shí)際應(yīng)用中，存在多路舵面或翼面同時(shí)鎖定與解鎖的情況，若為每路舵面或翼面解鎖均設(shè)計(jì)兩路冗余的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，將消耗極多的系統(tǒng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)資源，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來較大的負(fù)擔(dān)，因此本文設(shè)計(jì)了一種綜合冗余的設(shè)計(jì)方法。

假定在某特定的應(yīng)用場景下，需要同時(shí)解鎖四路舵面或翼面，一種綜合線路冗余設(shè)計(jì)方法的基本原理見圖3。采用“一驅(qū)四”的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)線路1同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路拔銷器的火工品1，驅(qū)動(dòng)線路2同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路拔銷器的火工品2，每只拔銷器中任一路火工品可靠起爆即可實(shí)現(xiàn)拔銷器銷軸的縮回，因此實(shí)現(xiàn)了在僅使用兩路驅(qū)動(dòng)時(shí)序的情況下，對四只舵面或翼面的可靠解鎖控制。

圖3 多路舵面或翼面解鎖綜合冗余驅(qū)動(dòng)方法的基本原理框圖Fig.3 Integrated redundant driving method for unlocking multi-channel rudder or wing

為了匹配拔銷器火工品起爆所需要的驅(qū)動(dòng)電流，需要在每條驅(qū)動(dòng)線路上設(shè)計(jì)合適的限流電阻，限流電阻阻值的選取方法為：假定拔銷器內(nèi)部單路火工品阻值為R1，使單路火工品可靠起爆的驅(qū)動(dòng)電流為I1，驅(qū)動(dòng)線路的供電電壓為U1，則限流電阻R限的計(jì)算方法為：

R限=4×U1/I1-R1/4

(1)

3.3 舵面或翼面解鎖時(shí)序

解鎖時(shí)序是飛行器動(dòng)舵面或翼面解鎖設(shè)計(jì)的核心程序，若解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)不合理，極易出現(xiàn)解鎖過程中拔銷器與舵面或翼面邊緣卡滯等現(xiàn)象，可能導(dǎo)致拔銷器銷軸不能可靠縮回，影響舵面或翼面正常解鎖。舵面或翼面解鎖時(shí)序包含3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別為驅(qū)動(dòng)舵面或翼面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力電池激活、發(fā)出拔銷器驅(qū)動(dòng)時(shí)序、舵面或翼面受控回零，具體說明如下：

1) 舵面或翼面解鎖前，由于不對舵面或翼面進(jìn)行控制，因此為舵面或翼面運(yùn)動(dòng)提供能源的動(dòng)力電池處于未激活狀態(tài)；舵面或翼面解鎖后，飛行器需要進(jìn)行舵面或翼面的閉環(huán)控制，解鎖后動(dòng)力電池必須激活，并持續(xù)輸出動(dòng)力供電；

2) 拔銷器驅(qū)動(dòng)時(shí)序輸出用于驅(qū)動(dòng)拔銷器內(nèi)部的火工品可靠起爆，驅(qū)動(dòng)時(shí)序持續(xù)時(shí)間需要大于火工品可靠發(fā)火時(shí)間，并留有一定余量；

3) 舵面或翼面受控回零指的是在拔銷器的銷軸可靠縮回后，舵面或翼面在控制指令的驅(qū)動(dòng)下保持在電氣零位。

一種典型的舵面或翼面解鎖控制時(shí)序見圖4，舵面或翼面解鎖時(shí)序以發(fā)出動(dòng)力電池激活時(shí)序時(shí)刻作為T0，動(dòng)力電池激活時(shí)序持續(xù)0.2 s，之后開始判斷電池建壓結(jié)果(連續(xù)多次采集動(dòng)力電池電壓，滿足動(dòng)力電池建壓正常判據(jù)即認(rèn)為電池建壓正常)，在2 s內(nèi)判定電池建壓正常后，發(fā)出拔銷器驅(qū)動(dòng)時(shí)序，持續(xù)0.1 s，大約3 ms后拔銷器銷軸可靠縮回并鎖定，從發(fā)出拔銷器驅(qū)動(dòng)時(shí)序開始0.02 s后，舵面或翼面伺服驅(qū)動(dòng)器中的功率模塊上電，此時(shí)舵面或翼面受控回零，0.08 s后，舵面或翼面按控制指令開始閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。

圖4 舵面或翼面解鎖時(shí)序示意圖Fig.4 Unlocking sequence of rudder or wing

舵面或翼面解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)的核心思想是“先解鎖，后回零”，按照該時(shí)序設(shè)計(jì)，拔銷器銷軸在縮回過程中僅需要克服舵面或翼面與拔銷器銷軸的接觸摩擦力，不會(huì)受到舵面或翼面伺服額外的控制力作用；若采用“先回零，后解鎖”的方式，由于伺服回零存在精度偏差，可能出現(xiàn)伺服回零時(shí)與拔銷器銷軸卡滯現(xiàn)象，導(dǎo)致伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn)，影響后續(xù)的拔銷器可靠縮回。

3.4 舵面或翼面解鎖狀態(tài)判定

飛行器對于舵面或翼面解鎖狀態(tài)的判定至關(guān)重要，往往作為是否正常執(zhí)行后續(xù)飛行程序的前提。舵面或翼面解鎖狀態(tài)可以通過采集每路拔銷器的工作狀態(tài)獲取，但是該種方式需要拔銷器內(nèi)部設(shè)計(jì)額外的狀態(tài)反饋線路，一方面增加了拔銷器的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)該方式僅表征拔銷器的工作狀態(tài)，未反映舵面或翼面最終是否可靠解鎖的狀態(tài)?；诖耍岢隽艘环N簡易的小幅度擺動(dòng)舵面或翼面，閉環(huán)比對舵面或翼面控制指令及角度反饋的方法，判定舵面或翼面是否正常解鎖，具體流程如下：

1) 向每路舵面或翼面發(fā)送運(yùn)動(dòng)至α的指令；

2) 連續(xù)采集舵面或翼面實(shí)際角度反饋，若連續(xù)多個(gè)反饋周期判定舵機(jī)處于α±Δα，則判定舵面或翼面運(yùn)動(dòng)到位，否則判定解鎖失??；

3) 向每路舵面或翼面發(fā)送歸零指令，若連續(xù)多個(gè)反饋周期判定舵機(jī)處于0±Δα，則判定舵面或翼面解鎖成功，可以執(zhí)行后續(xù)飛行程序，否則判定解鎖失敗，轉(zhuǎn)為既定的安全性設(shè)計(jì)措施。

在設(shè)計(jì)舵面或翼面擺動(dòng)角度α?xí)r需要考慮舵面或翼面動(dòng)作產(chǎn)生的控制力矩在飛行器的承受范圍內(nèi)，一般不超過2°；Δα的選取需要考慮舵面和翼面的控制精度，一般不超過0.5°。

4 試驗(yàn)

對于一種需要同時(shí)解鎖四路舵面或翼面的典型應(yīng)用場景，按照圖2中舵面或翼面解鎖時(shí)序開展地面原理性驗(yàn)證試驗(yàn)。

利用28 V供電信號驅(qū)動(dòng)拔銷器，限流電阻按照式(1)經(jīng)計(jì)算為2.4 Ω，拔銷器內(nèi)部火工品實(shí)測電阻、計(jì)算發(fā)火電流如表1所示，其中計(jì)算得到的拔銷器中每路火工品橋絲電阻的計(jì)算電流均在有效發(fā)火電流范圍內(nèi)，實(shí)際驅(qū)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為100 ms，監(jiān)測結(jié)果見圖5所示，驅(qū)動(dòng)完成后檢查4只拔銷器，銷軸全部可靠縮回。

表1 拔銷器火工品實(shí)測值與計(jì)算電流范圍

圖5 拔銷器解鎖時(shí)序監(jiān)測結(jié)果界面Fig.5 Unlocking sequence monitoring of pin puller

動(dòng)力電池激活與拔銷器解鎖時(shí)序發(fā)出監(jiān)測情況見圖6所示，可以看出發(fā)出動(dòng)力電池激活時(shí)序后約0.8 s，動(dòng)力電池建壓正常，之后正常發(fā)出了拔銷器解鎖時(shí)序。

圖6 動(dòng)力電池激活與拔銷器解鎖時(shí)序監(jiān)測曲線Fig.6 Timing monitoring of power battery activation and pin puller unlocking

拔銷器正常解鎖后，控制舵面或翼面進(jìn)行小角度擺動(dòng)，進(jìn)而判斷舵面或翼面是否正常解鎖，舵面或翼面實(shí)際監(jiān)測情況見圖7(僅展示1號舵)，由圖7可知四路舵面或翼面均正常受控?cái)[動(dòng)至2°，然后快速回零，由此判定四路舵面或翼面均正常解鎖，系統(tǒng)正常執(zhí)行試驗(yàn)程序，表明文中的解鎖控制方法正確。

圖7 舵面1解鎖后擺動(dòng)曲線Fig.7 Swing of rudder 1 after unlocking

5 結(jié)論

本文首先討論了一種基于拔銷器實(shí)現(xiàn)飛行器舵面或翼面鎖定的應(yīng)用場景，基于此提出了一種可控舵面或翼面解鎖控制方法，包含基于關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢、綜合冗余拔銷器驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)、可靠舵面或翼面解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)與簡易舵面或翼面解鎖狀態(tài)判定方法，通過開展四路舵面或翼面解鎖的地面原理性試驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。本文提出的舵面或翼面解鎖控制方法具有一定的通用性，可以用于指導(dǎo)開展飛行器可控舵面或翼面、折疊舵面或翼面鎖定與解鎖方案設(shè)計(jì)。