[發(fā)明專利]一種變推力火箭發(fā)動機推力控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110681492.5
• 申請日: 2021-06-19
• 公開（公告）號: CN113250860B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡潤生;吳建軍;程玉強;楊述明;劉育瑋;戚元杰;崔孟瑜;鄧凌志;石業(yè)輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: F02K9/80
• 分類號: F02K9/80;F02K9/56
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 關(guān)洪濤

本發(fā)明公開了一種變推力火箭發(fā)動機推力控制方法，包括：S1、根據(jù)電機和泵的動力學方程，得到電動泵系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式；S2、對電動泵系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式進行線性化，得到電動泵系統(tǒng)增量形式的線性化方程；S3、依據(jù)增量形式的線性化方程，根據(jù)采用的控制策略，可采用設(shè)定的方法確定控制器增益；S4、將得到的控制器增益帶入到整個系統(tǒng)中去，對于液氧路和甲烷路分別以推力和混合比為控制目標進行仿真計算，根據(jù)仿真結(jié)果判斷控制器增益是否可行，若可行，控制器設(shè)計完成；若控制效果達不到設(shè)定要求，重復步驟S3并根據(jù)采用的方法調(diào)整控制器增益的計算，直至達到設(shè)定的控制效果。本發(fā)明能夠很好地對發(fā)動機變推力過程的推力進行控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天技術(shù)與控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，特別涉及一種變推力火箭發(fā)動機推力控制方法。

背景技術(shù)

液體火箭發(fā)動機是空間運輸系統(tǒng)和飛行器推進以及機動的主要動力裝置。推力可調(diào)的液體火箭發(fā)動機近年來得到了廣泛重視，其多元化的發(fā)展對航空領(lǐng)域提出了新的要求。推力可調(diào)的液體火箭發(fā)動機是深空探測、運輸、行星表面軟著陸等任務比較好的動力選擇，因為她能夠根據(jù)任務需求調(diào)節(jié)推力。為了滿足行星表面軟著陸的要求，下降階段發(fā)動機必須具備深度調(diào)節(jié)的能力。變推力液體火箭發(fā)動機在這類任務中扮演著很重要的角色，尤其是月球表面著陸。空氣稀薄，摩擦力就會很小，飛行器下落過程中只能依靠發(fā)動機改變推力來平衡自身重力。單個液體火箭發(fā)動機的推力可以通過改變推進劑種類、推進劑流量、噴管出口面積以及噴管喉部來實現(xiàn)。但是由于物理結(jié)構(gòu)和熱流等因素的限制，改變推進劑種類、噴管喉部以及出口面積比較困難。調(diào)節(jié)質(zhì)量流量是調(diào)節(jié)發(fā)動機推力最簡單的方法。

火箭發(fā)動機穩(wěn)定高效地燃燒是保證飛行安全可靠的重要因素。為了使燃料充分霧化、高效燃燒，并且具有一定的抗干擾能力，在變推力過程中保持燃料噴注壓降穩(wěn)定是很重要的。調(diào)節(jié)推進劑質(zhì)量流量的同時改變噴注器的面積能夠在一定程度上穩(wěn)定噴注壓降。眾所周知，渦輪泵推進劑供應系統(tǒng)大幅降低了整個推進系統(tǒng)的重量，但是由于機械結(jié)構(gòu)復雜使得可靠性有所下降(大部分發(fā)射失敗都是由于渦輪泵失效造成)。因此，電動泵增壓系統(tǒng)逐漸進入人們的視野。20世紀80年代小離心泵設(shè)計生產(chǎn)并完成了性能測試。這類泵的發(fā)展是存儲燃料的電動泵發(fā)展的需要。和壓力輸送系統(tǒng)相比，電動泵燃料輸送系統(tǒng)使得整個推進系統(tǒng)的重量和體積變小。除了應用在飛機和衛(wèi)星上，2000年初電動泵還應用在飛行器的發(fā)射上，并且為火箭發(fā)動機設(shè)計輸送液氫或者液甲烷的電動泵是一個重要的課題。通過對電動泵驅(qū)動的液氧煤油火箭發(fā)動機進行性能評估，包括燃燒室壓力、燃燒時間、推力、質(zhì)量以及負載能力等。和氣體壓力供給系統(tǒng)以及渦輪泵供給系統(tǒng)相比，發(fā)現(xiàn)電動泵系統(tǒng)的比質(zhì)量明顯降低，至少在一些應用具有一定的優(yōu)勢，比如小型飛行器或者上面級火箭。同時，先進電池的發(fā)展使得電動泵系統(tǒng)比渦輪泵系統(tǒng)更輕，即使是用在燃燒時間較短的助推級上面，也具有明顯的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種變推力火箭發(fā)動機推力控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種變推力火箭發(fā)動機推力控制方法，包括以下步驟，

S1、根據(jù)電機和泵的動力學方程，得到電動泵系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式；

S2、對所述電動泵系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式進行線性化，得到電動泵系統(tǒng)增量形式的線性化方程；

S3、依據(jù)增量形式的線性化方程，根據(jù)采用的控制策略，可采用設(shè)定的方法確定控制器增益；

S4、將得到的控制器增益帶入到整個系統(tǒng)中去，對于液氧路和甲烷路分別以推力和混合比為控制目標進行仿真計算，根據(jù)仿真結(jié)果判斷控制器增益是否可行，若可行，控制器設(shè)計完成；若控制效果達不到設(shè)定要求，重復步驟S3并根據(jù)采用的方法調(diào)整控制器增益的計算，直至達到設(shè)定的控制效果。

進一步地，所述電動泵系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式可以表示成：