丁秀峰

(上海宇航系統(tǒng)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(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高運載能力,同時達到提高發(fā)射概率的目的。對于現(xiàn)役火箭,減載的目的主要是提高發(fā)射概率,進行適應(yīng)性改進;而對于新研火箭,可以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)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(jù)射前的高空風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速,優(yōu)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(jù)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(jù)概率風(fēng)場,裝訂幾條預(yù)先設(shè)計的程序角[1],射前裝訂根據(jù)射前-3h風(fēng)場,優(yōu)化程序角并進行裝訂。主動減載根據(jù)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(jù)減載控制的優(yōu)點和工程應(yīng)用上的可實現(xiàn)性,對其進行相關(guān)研究的學(xué)者較多[2-3]。本文主要從減載機理、工程應(yīng)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(shù)能夠有效地應(yīng)用到工程實踐中。

1 被動減載控制技術(shù)

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(fēng)的影響,產(chǎn)生風(fēng)攻角,為了降低風(fēng)攻角的影響,使箭體預(yù)偏一個程序角,并使速度坐標(biāo)系和箭體坐標(biāo)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(fēng)側(cè)滑角

圖2 被動減載后的風(fēng)側(cè)滑角

以側(cè)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(fēng)速V w的作用,其合成速度為,則產(chǎn)生風(fēng)側(cè)滑角β1,進而產(chǎn)生氣動干擾力。

采用被動減載后,預(yù)先設(shè)置偏航程序角,即使箭體向著來流的方向移動,則產(chǎn)生的側(cè)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(fēng)時標(biāo)準(zhǔn)彈道對應(yīng)的一級飛行段俯仰、偏航程序角;Δαf、Δβf表示高空風(fēng)引起的附加氣動攻角;V fx、V fz表示高空風(fēng)在火箭航向的平行和垂直分量;kα(t)、kβ(t)表示高空風(fēng)減載用程序角調(diào)制系數(shù)。

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(yīng)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(fēng)場的最大風(fēng)分成幾檔,并計算這幾檔的彈道程序角,然后根據(jù)這幾檔彈道程序角和相應(yīng)的風(fēng),計算攻擺角值給載荷。由于彈道計算程序角時不考慮風(fēng)場風(fēng)向角的偏差,因此,計算攻擺角時考慮風(fēng)場風(fēng)向角的偏差,風(fēng)向角偏差取45°。

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

3)根據(jù)實測風(fēng)場,優(yōu)化計算每條風(fēng)場的程序角,然后加20°風(fēng)向角偏差,對該風(fēng)場進行qa計算,獲得qa值。通過對所有風(fēng)場樣本進行計算,獲得每條風(fēng)場的qa值,然后根據(jù)某一發(fā)射概率確定對應(yīng)的qa限幅值,再考慮一定余量后,作為qa設(shè)計值,計算對應(yīng)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(shù)

主動減載控制技術(shù),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(wěn)定力矩最大時刻,由切變風(fēng)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(tài)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(chǎn)生的Δa+a w2與δφ都有所減小,即火箭的攻角和發(fā)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(shù)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(tài)控制

某火箭采用被動減載和主動減載技術(shù)時,根據(jù)發(fā)射場風(fēng)場情況,設(shè)計減載彈道。采用被動減載時,取95%平穩(wěn)風(fēng)、99%切變風(fēng)的概率風(fēng)場,并分成兩檔,以適應(yīng)發(fā)射場不同風(fēng)速的變化,風(fēng)向角偏差取45°,以適應(yīng)發(fā)射場實際高空風(fēng)與概率風(fēng)場的偏差。主動減載采用加速度表,其放大系數(shù)為0.028。仿真結(jié)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(fā)動機擺角,從仿真結(jié)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(fù)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(fā)射概率。對于已經(jīng)研制好的火箭,主要體現(xiàn)在對發(fā)射場風(fēng)場的適應(yīng)性。當(dāng)發(fā)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(dāng)發(fā)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(jīng)設(shè)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?；鸺囊暭铀俣确匠虨?/p>

式中,最后一項為結(jié)構(gòu)干擾項,其推力線偏斜η包括隨機量和系統(tǒng)量,通過多次飛行試驗結(jié)果基本可以確定系統(tǒng)量的大小和極性,而隨機量影響較小,因此可以確定η的數(shù)值。采用遙測獲得的視加速度、角速度ωz和發(fā)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(zhì)量、氣動數(shù)據(jù)需要采用理論計算值,但考慮到一級飛行到大風(fēng)區(qū),質(zhì)量誤差不是很大,因此適當(dāng)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(shù)值基本一致。因此可以根據(jù)飛行結(jié)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(jié)果反演攻角的比較

4 結(jié) 論

本文對運載火箭的減載機理、工程應(yīng)用方法和減載效果評估等方面進行了研究。分析與仿真結(jié)果表明,火箭采用被動、主動減載能夠降低飛行的攻角和發(fā)動機擺角,進而降低箭體載荷,采用概率風(fēng)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(yīng)用價值。