翟一帆,吳瑾清,崔榮軍,褚寶鑫
(北京航天動(dòng)力研究所,北京,100076)
推力調(diào)節(jié)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用主要有以下意義:a)優(yōu)化飛行軌道、降低飛行過(guò)載、提高入軌精度的有效手段;b)多機(jī)并聯(lián)工作模式下,推力調(diào)節(jié)技術(shù)可在一定程度上補(bǔ)償單機(jī)故障模式下的推力損失;c)有助于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的主動(dòng)控制,降低發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)次性、再現(xiàn)性性能偏差。
中國(guó)泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)尚處于起步階段,在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域基本屬于技術(shù)空白,因此氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展的推力調(diào)節(jié)研究工作,能夠進(jìn)一步拓展發(fā)動(dòng)機(jī)功能、彌補(bǔ)中國(guó)技術(shù)空白,帶動(dòng)提升發(fā)動(dòng)機(jī)整體技術(shù)水平[1]。
本文研究的某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)方式,具有先進(jìn)的性能指標(biāo)和一定的推力調(diào)節(jié)能力,未來(lái)將作為載人登月、深空探測(cè)等重點(diǎn)航天任務(wù)上面級(jí)動(dòng)力,其氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)難點(diǎn)是:發(fā)動(dòng)機(jī)推力、混合比高度耦合,需要通過(guò)對(duì)兩個(gè)被控參數(shù)的同步協(xié)調(diào)控制,不但要使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工況平穩(wěn)、迅速地過(guò)渡到目標(biāo)值附近,且避免發(fā)動(dòng)機(jī)混合比等參數(shù)波動(dòng)過(guò)大,降低組件工作可靠性,導(dǎo)致推力調(diào)節(jié)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)比沖等性能參數(shù)偏差過(guò)大引起推進(jìn)劑利用效率降低或影響運(yùn)載火箭正常飛行。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括:推力控制策略選取,模型在環(huán)仿真研究和硬件在環(huán)仿真研究等。
國(guó)外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)具備推力調(diào)節(jié)能力[2],研制階段根據(jù)自身技術(shù)特色進(jìn)行全面深入的推力調(diào)節(jié)技術(shù)研究。
日本的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)基本都選擇了開(kāi)式膨脹循環(huán),200噸級(jí)LE-X[3]發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)多達(dá)4個(gè),具備60%中等推力調(diào)節(jié)能力;4噸級(jí)重復(fù)使用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RSR[4,5]設(shè)置3個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),發(fā)動(dòng)機(jī)推力降至額定推力的40%。
美國(guó)在RL-10閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上,改進(jìn)了 RL10-E和 CECE[2,6]兩型具備調(diào)節(jié)能力的發(fā)動(dòng)機(jī):RL10-E設(shè)有 1個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),推力調(diào)節(jié)范圍為 47%~100%;CECE設(shè)有3個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),具備5.9%深度推力調(diào)節(jié)能力。SSME[2,7,8]是補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)3個(gè)調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)工作,實(shí)現(xiàn)了17%~109%范圍的推力調(diào)節(jié)。
歐洲研制了閉式膨脹循環(huán)方式發(fā)動(dòng)機(jī)Vinci,通過(guò)2個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可使推力降至額定值 15%。國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制邏輯如圖1所示。國(guó)外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)基本都采用了傳統(tǒng)PID控制算法,只是在具體策略上根據(jù)自身發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)有所不同,如表1所示。
圖1 國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制邏輯Fig.1 Throttling Control Logic of Foreign Engines
續(xù)圖1
表1 國(guó)外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)方案Tab.1 Throttling Scheme of Foreign Engines
推力調(diào)節(jié)普遍采用閉環(huán)控制方式,即實(shí)時(shí)反饋可表征發(fā)動(dòng)機(jī)推力的相關(guān)壓力參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制,控制算法有純PID、正負(fù)反饋PID及多變量解耦等。推力調(diào)節(jié)過(guò)程中的混合比控制分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種方式。推力在小范圍調(diào)節(jié)時(shí)采用混合比閉環(huán)控制保持混合比不變,如SSME發(fā)動(dòng)機(jī)推力67%~109%調(diào)節(jié),LE-X發(fā)動(dòng)機(jī)推力60%~100%調(diào)節(jié);日本RSR在推力調(diào)節(jié)過(guò)程只設(shè)置混合比的門(mén)檻值,達(dá)到門(mén)檻值后進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,將混合比控制在一定范圍內(nèi)。
液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力可由式(1)計(jì)算:
式中m˙為質(zhì)量流量;ve為排氣速度;pe為噴管出口壓力;pa為環(huán)境壓力;eA為噴管出口截面積。發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)主要手段是調(diào)節(jié)推進(jìn)劑總供應(yīng)流量m˙。
某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)方式,氫渦輪在前、氧渦輪在后的串聯(lián)式雙渦輪布局。氫渦輪分流氣氫引至氧渦輪前,保證系統(tǒng)能量的充分利用,系統(tǒng)原理如圖2所示。該系統(tǒng)方案有利于降低推力室換熱需求和氫渦輪泵功率水平,但在調(diào)節(jié)推力的同時(shí)須進(jìn)行混合比控制,保證調(diào)節(jié)過(guò)程混合比處于安全范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)在氫渦輪分流路上設(shè)置推力調(diào)節(jié)閥,在氧渦輪分流路上設(shè)置混合比控制閥。
圖2 某型氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic Diagram of the LH2/LO2 Closed-cycle Exрansion Engine
考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)范圍為60%~100%,參考國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方案,選用推力和混合比雙PI閉環(huán)控制方案,以發(fā)動(dòng)機(jī)推力、混合比作為被控量,以發(fā)動(dòng)機(jī)氫、氧渦輪分流量作為控制量。
因此,發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是雙輸入雙輸出的多變量控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)推力調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變氫渦輪分流量,調(diào)節(jié)混合比調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變氧渦輪分流量。發(fā)動(dòng)機(jī)推力取推力室壓力測(cè)量值作為反饋,混合比取推力室壓力、噴前壓力等多參數(shù)測(cè)量值的計(jì)算作為反饋。
使用集中參數(shù)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)建模,進(jìn)行了基于數(shù)學(xué)模型的模型在環(huán)(Model in Looр,MIL)測(cè)試,對(duì)被控對(duì)象和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真,在模型層面上實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)測(cè)試,完成控制策略初步篩選和控制算法初步驗(yàn)證。
發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型通過(guò)集中參數(shù)法建立,將泵、渦輪、推力室等模塊視為集中參數(shù)模塊,通過(guò)設(shè)置在供應(yīng)系統(tǒng)上的節(jié)流元件進(jìn)行組件性能匹配,將推力調(diào)節(jié)閥、混合比調(diào)節(jié)閥作為可調(diào)節(jié)流元件,實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)。
由于推力調(diào)節(jié)范圍不大,泵單元采用基于相似準(zhǔn)則的h~θ、β~θ擬合模型建模:
式中 Δp為泵的揚(yáng)程;T為轉(zhuǎn)子輸入轉(zhuǎn)矩,ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速rad/s;下標(biāo)d表示額定值;下標(biāo)р表示泵參數(shù);h~θ,β~θ使用經(jīng)驗(yàn)擬合公式確定。渦輪單元采用速比和經(jīng)驗(yàn)公式擬合得到效率:
式中ηt為渦輪效率;u為渦輪葉尖輪周速度;C為渦輪特征速度;Dt為渦輪動(dòng)葉直徑;ω為轉(zhuǎn)子角速度;Lad為渦輪單位工質(zhì)等熵膨脹功。
發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)視為容腔模型,按照可壓縮流體容腔單元進(jìn)行建模。推力、混合比調(diào)節(jié)閥均設(shè)置在氣氫路,按照氣體流阻單元進(jìn)行建模:
式中R為工質(zhì)氣體常數(shù);γ為工質(zhì)比熱比;下標(biāo) uр為入口參數(shù);下標(biāo)down表示出口參數(shù);A為過(guò)流面積;p為壓力。調(diào)節(jié)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變公式中的截流面積。推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,控制算法按經(jīng)典的PID控制模塊進(jìn)行建模,電機(jī)視為一階慣性環(huán)節(jié),減速器視為純比例線性環(huán)節(jié)。
AMESim平臺(tái)是目前廣泛采用的系統(tǒng)仿真工具,主要開(kāi)展起動(dòng)、關(guān)機(jī)、故障等過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性研究。Simulink平臺(tái)中的模型,能夠較好地嵌入到仿真上位機(jī)中,能夠作為實(shí)時(shí)模型用于硬件在環(huán)(Hardware In Looр,HIL)測(cè)試的仿真模型部分。
AMESim平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型如圖3所示,在此基礎(chǔ)上對(duì)推力、混合比雙PI負(fù)反饋控制方案和推力PI負(fù)反饋、混合比負(fù)反饋與前饋組合控制方案進(jìn)行了MIL仿真,確定了發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)方案。
圖3 AMESim平臺(tái)的推力調(diào)節(jié)MIL仿真系統(tǒng)Fig.3 MIL Throttling Simulation System on AMESim
負(fù)反饋與前饋控制原理如圖4所示。
圖4 負(fù)反饋與前饋控制原理Fig.4 Princiрle of Negative Feedback and Feedforward Control
AMESim仿真結(jié)果如圖5所示,結(jié)果表明各控制方案下,推力、混合比參數(shù)均能按目標(biāo)值要求進(jìn)行調(diào)節(jié),但動(dòng)態(tài)過(guò)程并不相同,其中推力PI負(fù)反饋、混合比負(fù)反饋與前饋組合的控制方案動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較優(yōu),推力調(diào)節(jié)過(guò)程中混合比等系統(tǒng)參數(shù)變化較平穩(wěn)。該方案在混合比調(diào)節(jié)中應(yīng)用了負(fù)反饋和前饋的組合控制模式,由于前饋環(huán)節(jié)的存在,混合比調(diào)節(jié)閥在推力調(diào)節(jié)過(guò)程中敏感推力目標(biāo)值變化進(jìn)行前饋調(diào)節(jié),在推力調(diào)節(jié)的過(guò)程中推力目標(biāo)值變化同時(shí)改變了推力、混合比調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,因此降低了過(guò)程中的混合比等系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng),達(dá)到了控制算法方案優(yōu)化的目的。
圖5 推力調(diào)節(jié)過(guò)程室壓、混合比響應(yīng)曲線Fig.5 Resрonse Curve of Chamber Pressure and Mass Ratio in Throttling
基于實(shí)際物理特性和通訊協(xié)議,在Simulink平臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用簡(jiǎn)化的模型,具備硬件在環(huán)仿真數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)性要求。Simulink平臺(tái)的MIL仿真中,控制指令下發(fā)采用“位置跟蹤”模式,控制器周期性發(fā)出閥門(mén)轉(zhuǎn)角增量指令,驅(qū)動(dòng)器按照不斷更新的位置指令調(diào)整調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。對(duì)4組PI參數(shù)下推力調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的不同進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖6和表2所示。
結(jié)果顯示,推力調(diào)節(jié)過(guò)程中,方案1~4均能將發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)降至目標(biāo)值附近,推力參數(shù)穩(wěn)態(tài)偏差不超過(guò)2.4%,能夠滿足運(yùn)載火箭(航天器)推力控制的需要。調(diào)節(jié)過(guò)程中雖然混合比存在一定范圍的波動(dòng),但波動(dòng)峰值出現(xiàn)時(shí)間較短,調(diào)節(jié)過(guò)程大部分時(shí)間內(nèi)混合比位于額定值附近,在推力調(diào)節(jié)過(guò)程完成后,發(fā)動(dòng)機(jī)混合比能夠在算法的主動(dòng)控制下回歸額定值,穩(wěn)態(tài)偏差不超過(guò)2.2%,均位于控制算法設(shè)置的死區(qū)內(nèi),對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)比沖等性能參數(shù)基本無(wú)影響。
比較方案1和方案2可知,將混合比控制PI參數(shù)的比例積分Kp增大,在 100%→60%調(diào)節(jié)過(guò)程中,會(huì)抑制超調(diào)現(xiàn)象,但會(huì)顯著延長(zhǎng)該過(guò)程的調(diào)節(jié)時(shí)間;在60%→100%調(diào)節(jié)過(guò)程中,會(huì)降低調(diào)節(jié)時(shí)間,但會(huì)使得超調(diào)量增加;但是混合比控制Kp值,可有效抑制推力調(diào)節(jié)過(guò)程中的混合比參數(shù)波動(dòng)。比較方案 1和方案 3可知,將推力控制PI參數(shù)比例積分Kp增大,能夠縮短過(guò)程的調(diào)節(jié)時(shí)間,但會(huì)導(dǎo)致推力超調(diào)量略有增大,同時(shí)也使得調(diào)節(jié)過(guò)程中混合比參數(shù)波動(dòng)更為劇烈。比較方案1和方案4可知,同時(shí)增大推力控制Kp和混合比控制Kp值,在參數(shù)匹配良好的情況下能夠同時(shí)獲得較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo),縮短過(guò)程中的推力調(diào)節(jié)時(shí)間,降低推力超調(diào)量或保持相當(dāng)水平,同時(shí)可以抑制推力調(diào)節(jié)過(guò)程中的混合比參數(shù)波動(dòng)。
通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程參數(shù)變化情況的比較,可以得到方案4的控制參數(shù)下,系統(tǒng)推力調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)優(yōu)良,仿真結(jié)果顯示該方案下穩(wěn)態(tài)偏差、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,盡管混合比超調(diào)略大達(dá)到 11%,但是高混合比停留時(shí)間較短,組件適應(yīng)性良好。由此,推力PI負(fù)反饋、混合比負(fù)反饋與前饋組合控制方案下,作動(dòng)系統(tǒng)采用“位置跟蹤”的控制模式得到了初步驗(yàn)證。
圖6 不同控制參數(shù)室壓、混合比響應(yīng)曲線Fig.6 Chamber Pressure and Mass Ratio Resрonse Curve with Different Control Parameters
表2 不同控制參數(shù)室壓、混合比響應(yīng)特性Tab.2 Chamber Pressure and Mass Ratio Resрonse Characteristics with Different Control Parameters
為應(yīng)對(duì)帶載工作時(shí)可能出現(xiàn)的負(fù)載下作動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)特性變慢的情況,通過(guò)MIL仿真測(cè)試,在方案4的基礎(chǔ)上,同時(shí)增大兩調(diào)節(jié)閥電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為原來(lái)的3倍(方案5),仿真研究結(jié)果如圖7所示。
圖7 機(jī)電時(shí)間常數(shù)改變對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響Fig.7 The Influence of Electromechanical Time Constant Change on the Throttling Process
在電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)改變的情況下,推力調(diào)節(jié)過(guò)程中推力調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程性能略有下降,但推力、混合比響應(yīng)特性變化不明顯,能夠在100%→60%和60%→100%推力調(diào)節(jié)過(guò)程中平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)。目前控制方案在各種電機(jī)動(dòng)態(tài)特性下的適應(yīng)性良好。
HIL仿真測(cè)試是驗(yàn)證控制算法有效性和控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的重要步驟。HIL仿真系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)等被控對(duì)象為實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型,沿用 MIL仿真的思路建立,推力調(diào)節(jié)閥、作動(dòng)器和控制器等為實(shí)際物理硬件。
推力調(diào)節(jié)閥選用電動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的技術(shù)方案,主要包括閥門(mén)本體和作動(dòng)器。閥門(mén)本體采用斜相交套筒式方案,套筒軸線與閥體進(jìn)出口軸線斜相交。作動(dòng)器由電機(jī)、減速器等組成。無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)生作動(dòng)力矩,通過(guò)行星齒輪減速器降低轉(zhuǎn)速并放大作動(dòng)力矩后,通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)閥芯套筒旋轉(zhuǎn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)HIL仿真的主要目的是測(cè)試兩臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥雙控模式下的工作協(xié)調(diào)性,并且進(jìn)一步研究不同控制參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、混合比的影響。為了便于比較,HIL仿真時(shí)測(cè)試的4組控制參數(shù)與MIL仿真保持一致。室壓響應(yīng)曲線對(duì)比情況如圖8所示。
圖8 推力調(diào)節(jié)過(guò)程室壓MIL與HIL結(jié)果Fig.8 The MIL and HILResult of Chamber Pressure on Throttling Process
續(xù)圖8
研究結(jié)果表明,推力調(diào)節(jié)過(guò)程中,HIL仿真與MIL仿真結(jié)果趨勢(shì)及參數(shù)變化幅度較為一致,說(shuō)明控制算法適應(yīng)性良好。方案4的推力調(diào)節(jié)過(guò)程中,MIL和HIL仿真結(jié)果(圖9)均顯示,過(guò)程中混合比波動(dòng)不超過(guò)11%,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)組件工作需求,混合比穩(wěn)態(tài)偏差不超過(guò)3.5%,滿足控制算法設(shè)置的死區(qū)精度要求。
圖9 推力調(diào)節(jié)過(guò)程混合比MIL與HIL仿真結(jié)果(推力Kp=-0.65,混合比Kp=-6.0)Fig.9 The MIL and HILResult of Mass Ratio on Throttling Process
HIL仿真僅有作動(dòng)系統(tǒng)為真實(shí)系統(tǒng),對(duì)比MIL和HIL的仿真結(jié)果可見(jiàn),兩種方法的研究結(jié)果相近,電機(jī)動(dòng)態(tài)特性不是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程的主要因素。因此,未來(lái)可以通過(guò)MIL仿真來(lái)代替HIL仿真開(kāi)展廣泛而深入的控制算法研究。
本階段完成了HIL仿真工作,充分驗(yàn)證了雙控模式下兩臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作協(xié)調(diào)性,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥均能夠按照控制算法指令作動(dòng),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、混合比穩(wěn)定控制。
針對(duì)某型氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特征,提出了氫渦輪分流路和氧渦輪分流路分別設(shè)置推力調(diào)節(jié)閥和混合比調(diào)節(jié)閥、推力和混合比雙PI閉環(huán)控制的方案。
通過(guò)模型在環(huán)仿真得到主要結(jié)論包括:a)推力負(fù)反饋、混合比正負(fù)反饋調(diào)節(jié)方案具有更好的調(diào)節(jié)效果;b)適當(dāng)增大推力、混合比控制比例系數(shù)Kp_t、Kp_mr可有效改善調(diào)節(jié)過(guò)程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng);c)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不敏感,允許機(jī)電時(shí)間常數(shù)略有增加。
通過(guò)硬件在環(huán)測(cè)試驗(yàn)證了電動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性,發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)60%~100%推力調(diào)節(jié)過(guò)程推力、混合比的聯(lián)合控制,并將發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)平穩(wěn)、迅速地調(diào)節(jié)至目標(biāo)值附近。