基于ESO的运载火箭姿控喷管故障辨识设计及实现

针对基于喷管开关控制的运载火箭姿控系统故障,提出了一种基于控制效果的喷管故障辨识方法。在对特定喷管配置和轴对称运载火箭模型研究基础上,利用扩张状态观测器实时估计箭体所受的总力矩,进而根据估计结果进行故障判别和极性纠正。仿真结果表明,以ESO为观测器的故障辨识设计方法可有效判别出姿控喷管的极性故障,并能够通过策略设计进行极性纠正,具有较强的工程应用价值。     

基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法

弹道式航天飞行器末修闭路制导飞行段通常采用具有非线性特性的固定姿控喷管进行姿态跟踪和稳定控制,此时姿态控制精度直接影响闭路制导效果。传统斜线开关线控制方法存在系统性姿态角偏差,导致末修推力方向与待增速度方向始终存在差异,进而影响到飞行器落点精度。提出的基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法,通过干扰力矩在线辨识,实时设计姿控喷管开关线,将极限环调整至环绕原点,从而提高姿控精度。基于某型飞行器的仿真结果表明,与传统设计方法相比,基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法可将闭路制导段姿态控制精度提高约90%,减小姿态偏差对闭路制导的影响,飞行器落点精度提高约25%。     

基于最优控制的航天器断续姿控系统设计方法

传统基于姿控喷管的断续姿控系统多采用经典的斜线开关线设计非线性控制律,系统设计时往往难以同时满足姿控精度、推进剂消耗、喷管开关次数等要求和约束。为进一步优化系统设计,实现各性能指标闭合,提出了基于最优控制的断续姿控系统二次型开关线控制方法,并推导得到了系统姿控精度模型。通过仿真试验对比了传统斜线开关和二次型开关控制的性能。仿真结果表明,两种方法下系统姿控精度计算模型正确,性能指标各有优劣,姿控系统设计时可依据系统约束综合考虑选取不同方案。     

火箭级间分离与姿控耦合影响研究

为分析分离与姿控耦合设计时的相互影响,提出了基于上面级喷管最大摆动角速度,以及基于上面级实时控制的分离与姿控耦合计算方法,建立了级间分离与姿控耦合计算模型.某型火箭级间分离计算结果表明,采用基于上面级实时控制的耦合计算方法,能够真实地反应上面级姿态控制力作用下的级间分离过程,可为箭上设备安装边界设计提供准确依据.     

可重复使用跨大气层飞行器多学科设计优化中姿控子系统的建模与仿真

在对可重复使用跨大气层飞行器(RTAV)进行多学科设计优化(MDO)的过程中,对RTAV姿控子系统的时域仿真是姿控子系统设计和飞行稳定性分析的重要手段。对某RTAV的MDO过程中姿控子系统的Simulink建模与三通道综合时域仿真的方法进行了研究。从理论上分析了建模、仿真过程中遇到的代数循环问题,并针对问题特点提出了解决方案。     

基于姿控喷管开关控制的全量耦合动力学建模与控制优化技术研究

传统运载火箭姿态控制设计与仿真均采用小偏差线性化的动力学模型,该模型无法准确体现调姿过程对飞行轨道、推进剂晃动的影响,且干扰的合成与施加方法与实际飞行不符,无法精细化分析某项干扰对实际飞行过程的影响。为了解决以上问题,建立的基于姿控喷管开关控制的全量耦合动力学模型,实现姿控-轨道-推进剂晃动的一体化耦合仿真,具备精细化分析能力,提升了设计预示能力。该技术已在中国探月三期工程中成功应用,有效降低了姿控用推进剂耗量需求,提高了火箭运载能力。     

基于特征线法的高超声速飞行器后体/喷管性能分析

针对现有文献研究不能满足后体/喷管快速初步设计的需要的问题,对采用特征线法进行后体/喷管的快速性能分析进行了研究.基于特征线法理论,分析了高超声速飞行器中的后体/喷管性能和二维结构,建立了后体/喷管二维流场分析的计算流程,开发了程序,并通过一组实例进行验证.验证结果验证了该方法的正确性.     

某姿轨控动力装置内流场研究

装备姿轨控发动机的空空导弹能大幅提高对目标拦截的范围,实现提前拦截、防区外拦截。文中基于多喷管单室固体发动机方案,研究内弹道工作特性,采用数值模拟的方法研究内流参数分布规律,通过详细内流场仿真,发现动力装置均能正常工作,内部流场通畅,气动参数基本呈均匀分布,但多喷管之间存在一定程度的相互影响和干扰。通过试验验证该动力装置的工作特性。     

极点配置方法在姿控系统设计中的应用

给出了一种控制系统的设计方法--传递函数阵的极点配置方法,这种方法能够根据系统的特征多项式迅速确定校正环节的设计参数,通过在反馈回路中引入类似 PID 控制器来自适应调节飞行器的稳定回路.仿真结果验证了极点配置方法在姿控系统设计中的有效性.     

基于微分对策的多飞行器协同捕获空间划分

针对多飞行器协同围捕问题,提出一种基于微分对策的加权制导律下捕获空间划分方法。选取合适的性能函数,建立多对一协同围捕微分对策模型;利用哈密尔顿函数法求解得出飞行器和目标的最优控制策略,获得各飞行器的零控脱靶量的最优轨迹;以2个飞行器为例,设置1个2对1协同围捕场景,根据2个飞行器初始零控脱靶量的符号和大小关系,给出各飞行器单独拦截以及协同围捕状态下的相关定义;根据各飞行器零控脱靶量的最优轨迹,围绕初始零控脱靶量给出1种协同捕获空间的划分方法;设置3个具体的仿真场景,验证结果证明了该方法的准确性。     

飞行控制软件可靠性设计

针对双ＣＰＵ、以主从方式运行的冗余硬件配置，介绍了管理和邦联诊断策略。飞行控制软件一般包括制导、姿控和综合三部分，制导部分要求有高的计算精度，姿控部分的实时性很强，综合部分应怼不行状态正确识别和自理针对这些特点，分别介绍了各分系统软件可靠性设计的总体结构、故障判别的条件以及具体的实现。文中提到的部分技术经过了实验的检验，证明是可行的。     

速率陀螺在运载火箭上的应用及冗余方式

针对速率陀螺在运载火箭上的应用以及冗余方式进行了介绍,从速率陀螺的应用原理、冗余方式两方面进行了总结与归纳.针对CZ-2F双冗余速率陀螺方案,给出了姿控网络设计频域曲线及时域仿真结果,仿真结果表明,考虑单个速率陀螺故障下进行姿控系统设计,保证具有足够的稳定裕度,可以实现火箭在故障下的稳定飞行.     

高超声速飞行器制导控制及一体化设计方法

针对高超声速飞行器制导与姿态控制问题,从慢回路质心制导、快回路绕质心姿控、制导控制联合设计和制导控制一体化设计四个层面对高超声速飞行器制导控制方法进行了总结综述。基于当前各国高超声速飞行器的发展脉络和高超声速飞行器典型飞行特点归纳总结制导与姿态控制方法的重难点;以飞行阶段为准则分别阐述了高超声速飞行器助推段、滑翔段和俯冲段的制导策略及其内涵,结合现代控制理论剖析了已成功用于高超声速飞行器姿态控制的非线性控制过程;基于已公开的有限数目的文献,对高超声速飞行器制导控制联合设计和制导控制一体化设计方法进行了分析。最后,对高超声速飞行器制导控制一体化全集成设计的思路和趋势进行了探索总结。     

高超声速单/多喷管逆向喷流降热特性研究

作为一种主动热防护技术,逆向喷流因其可以显著地降低飞行器的气动加热环境,是未来主动热防护系统的一种有效的选择.本文重点开展逆向喷流降热技术的研究,围绕单喷管和多喷管逆向喷流降热技术,针对高超声速飞行器头部研究了两种逆向喷流降热方案的降热特性,研究表明单喷管逆向喷流降热具有局限性,多喷管逆向喷流降热更具鲁棒性和工程适应性,具有更广阔的应用前景.     

一种新型姿控推冲器的设计和研究

为了设计一种高输出能量的姿控推冲器,从主装药、点火管、壳体、喷管和堵片等方面进行了分析和试验,确定了相关设计参数。试验结果表明推冲器作用一致性好,实测比冲最高达236.8s,满足技术指标要求;安全电流、冲击、锤击及飞行搭载试验表明该推冲器使用安全。     

姿控发动机管路支架一体化设计

姿控支架采用管路与结构承力件一体化的设计理念,取消了姿控系统多个姿控发动机管路及其支架,不仅减轻了姿控系统重量,同时也保证了姿控发动机的安装精度.在综合姿控发动机舱内布局、空间尺寸及位置等因素基础上,提出不同结构和不同材料一体化设计的姿控支架方案,并对其在结构强度、刚度、流阻及工艺性方面进行了对比.结果表明,两种不同材料、结构的姿控支架方案皆能满足动力系统使用要求,但钛合金结构方案在重量、系统流阻匹配性方面更具优势.     

基于数字变力矩的拦截器脉冲姿态控制律设计

为提高拦截器姿控系统的控制精度,在研究常值推力姿控发动机的脉冲调制方式的基础上,建立姿控发动机的脉冲推力模型,重点设计动能拦截器基于非线性开关控制的姿控发动机控制律,并通过典型角度稳定跟踪过程验证控制律.仿真结果表明:姿控系统能够稳定地高精度跟踪目标,所设计的姿控系统具有有效性.     

一种小型姿控推冲器输出性能的试验研究

从主装药、点火药、喷管和剪切片4个方面对姿控推冲器进行了设计,并通过推力试验验证了主装药类型、点火药类型、喷管的喉径、扩张比和扩张角以及剪切片厚度和材料对输出性能的影响规律。结果表明：主装药采用改性双基推进剂GQ-3时推冲器比冲可达207.5s;点火药采用硼-硝酸钾点火药时点火时间最小为0.32ms;喷管喉径为Φ2.5mm、扩张角为70°、扩张比为2.4时总冲量达到3.50N·s,比冲达208.6s;剪切片采用0.3mm厚的铜带时作用时间最短为4.15ms,峰值推力达到1420N。     

某姿控发动机组安装板结构拓扑优化设计

由于某航天飞行器姿控动力系统工作环境复杂,姿控阻力大,对其结构有较高的刚度和强度要求,这与航天器要求小的结构重量系数存在一定的矛盾。通过有限元中的拓扑优化方法计算分析,找出结构中力的传递路径,对原始模型进行了等质量、等刚度和综合考虑质量和刚度的改进。通过对比分析优化前后的刚度、强度和模态计算结果表明:拓扑优化结果对模型改进具有指导作用,等质量改进时,刚度提高21.4%;等刚度改进时,质量减少15.3%;综合考虑质量和刚度改进时,强度提高25%以上,刚度提高15%以上,质量减少10%以上。     

火箭分离与姿控一体化设计方法研究

火箭在低空高速环境下分离时，前后体相对姿态容易产生较大变化导致干涉风险，开展分离与姿控一体化设计能够在分离过程中实时控制分离体姿态，有效提升分离可靠性。提出了基于下面级姿控动力系统闭环控制的分离与姿控耦合计算方法，建立了计算模型，并基于联合仿真平台对某火箭头体分离过程进行仿真分析，结果表明分离与姿控一体化设计方法能够有效增大分离间隙，在不增加分离能源的情况下实现两体可靠气动分离，有利于提升火箭综合性能。