丁秀峰

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所·上?！?01109)

0 概 述

運(yùn)載火箭減載控制是通過減小火箭飛行過程中的氣動(dòng)載荷,進(jìn)而減小全箭載荷,以達(dá)到降低全箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高運(yùn)載能力,同時(shí)達(dá)到提高發(fā)射概率的目的。對(duì)于現(xiàn)役火箭,減載的目的主要是提高發(fā)射概率,進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn);而對(duì)于新研火箭,可以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高運(yùn)載能力。

運(yùn)載火箭減載控制可以分為兩種,一種是被動(dòng)減載,一種是主動(dòng)減載。被動(dòng)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(jìn)而達(dá)到減載的目的;主動(dòng)減載是通過在控制中引入攻角信息,以達(dá)到減小飛行攻角,降低載荷的目的。被動(dòng)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(jì)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(jìn)行裝訂。主動(dòng)減載根據(jù)引入的攻角信息方式,一般分為直接測(cè)量和間接測(cè)量兩種方式,直接測(cè)量通過攻角傳感器獲得飛行攻角,間接測(cè)量通過加速度計(jì)等信息進(jìn)行減載控制。

根據(jù)減載控制的優(yōu)點(diǎn)和工程應(yīng)用上的可實(shí)現(xiàn)性,對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究的學(xué)者較多[2-3]。本文主要從減載機(jī)理、工程應(yīng)用方法和減載效果的評(píng)估等幾個(gè)方面進(jìn)行研究,以期運(yùn)載火箭的減載技術(shù)能夠有效地應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

1 被動(dòng)減載控制技術(shù)

1.1 被動(dòng)減載的機(jī)理

被動(dòng)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(gè)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(jìn)而達(dá)到被動(dòng)減載的效果,具體如圖1、圖2所示。

圖1 被動(dòng)減載前的風(fēng)側(cè)滑角

圖2 被動(dòng)減載后的風(fēng)側(cè)滑角

以側(cè)滑角為例進(jìn)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(jìn)而產(chǎn)生氣動(dòng)干擾力。

采用被動(dòng)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(dòng),則產(chǎn)生的側(cè)滑角β1減小,進(jìn)而氣動(dòng)干擾力較不減載時(shí)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)彈道對(duì)應(yīng)的一級(jí)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(dòng)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(dòng)減載的攻擺角計(jì)算方法

采用被動(dòng)減載后,火箭的攻角和擺角都會(huì)相應(yīng)地減小。下面分析如何確定被動(dòng)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(jì)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(jì)算攻擺角值給載荷。由于彈道計(jì)算程序角時(shí)不考慮風(fēng)場風(fēng)向角的偏差,因此,計(jì)算攻擺角時(shí)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(duì)所有風(fēng)場樣本進(jìn)行qa計(jì)算,其中,對(duì)每條風(fēng)場對(duì)應(yīng)不同檔次的彈道進(jìn)行qa計(jì)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(shí)測(cè)風(fēng)場,優(yōu)化計(jì)算每條風(fēng)場的程序角,然后加20°風(fēng)向角偏差,對(duì)該風(fēng)場進(jìn)行qa計(jì)算,獲得qa值。通過對(duì)所有風(fēng)場樣本進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)的qa限幅值,再考慮一定余量后,作為qa設(shè)計(jì)值,計(jì)算對(duì)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(dòng)減載控制技術(shù)

主動(dòng)減載控制技術(shù),一般通過安裝加速度計(jì),測(cè)量火箭的橫向、法向視加速度,并引入控制回路,以達(dá)到降低火箭飛行攻角的目的,進(jìn)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(shí)刻,由切變風(fēng)引起的氣動(dòng)力矩載荷最大,所以主要討論此種情況下的氣動(dòng)力矩載荷。

剛性箭體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)擺角都有所減小,箭體的載荷減小。引入主動(dòng)減載控制后,控制框圖如圖3所示。

圖3 主動(dòng)減載技術(shù)控制框圖

3 減載效果分析

3.1 基于主動(dòng)、被動(dòng)減載火箭姿態(tài)控制

某火箭采用被動(dòng)減載和主動(dòng)減載技術(shù)時(shí),根據(jù)發(fā)射場風(fēng)場情況,設(shè)計(jì)減載彈道。采用被動(dòng)減載時(shí),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(shí)際高空風(fēng)與概率風(fēng)場的偏差。主動(dòng)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(dòng)機(jī)擺角,從仿真結(jié)果可以看出,采用被動(dòng)加主動(dòng)減載的方式,比單純采用被動(dòng)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(yàn)證

采用減載措施后,能夠降低飛行載荷,提高發(fā)射概率。對(duì)于已經(jīng)研制好的火箭,主要體現(xiàn)在對(duì)發(fā)射場風(fēng)場的適應(yīng)性。當(dāng)發(fā)射前的qa計(jì)算值超過qa限幅值時(shí),通過采用被動(dòng)、主動(dòng)減載能夠減低qa限幅值。當(dāng)發(fā)射前qa計(jì)算值小于qa限幅值時(shí),雖然不用采取措施降低qa值,但此時(shí)由于減載措施已經(jīng)設(shè)置好,因此需要評(píng)估減載效果。本文給出一種比較可行的評(píng)估方法。火箭的視加速度方程為

式中,最后一項(xiàng)為結(jié)構(gòu)干擾項(xiàng),其推力線偏斜η包括隨機(jī)量和系統(tǒng)量,通過多次飛行試驗(yàn)結(jié)果基本可以確定系統(tǒng)量的大小和極性,而隨機(jī)量影響較小,因此可以確定η的數(shù)值。采用遙測(cè)獲得的視加速度、角速度ωz和發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)數(shù)據(jù)需要采用理論計(jì)算值,但考慮到一級(jí)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(dòng)的偏差即可。圖6所示為實(shí)際飛行反演和計(jì)算仿真曲線,從圖6可以看出兩者的趨勢(shì)和數(shù)值基本一致。因此可以根據(jù)飛行結(jié)果的遙測(cè)值反演出攻角,進(jìn)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(duì)運(yùn)載火箭的減載機(jī)理、工程應(yīng)用方法和減載效果評(píng)估等方面進(jìn)行了研究。分析與仿真結(jié)果表明,火箭采用被動(dòng)、主動(dòng)減載能夠降低飛行的攻角和發(fā)動(dòng)機(jī)擺角,進(jìn)而降低箭體載荷,采用概率風(fēng)場的被動(dòng)減載和基于加速度表的主動(dòng)減載方法具有明顯的工程應(yīng)用價(jià)值。