CN110966118A - 姿轨控火箭发动机压力匹配方法及存储介质 - Google Patents

姿轨控火箭发动机压力匹配方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法及存储介质，压力匹配方法包括：选定需要调整的发动机机位，获得计算约束；建立关于所述机位理论最大推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值、所述机位理论最小推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值的方程组；对建立的方程组进行求解，得到所述机位理论最大推力对应的偏差和所述机位理论最小推力对应的偏差；根据求解得到的两个节流部件压降值，计算得到节流部件的压降；根据计算得到的节流部件的压降设定实际节流部件的压降，以完成姿轨控液体火箭发动机的压力匹配。本申请能够降低因压力匹配基准点选取不合适导致推力单边超差的风险，具有精准度高的特点。

Description

姿轨控火箭发动机压力匹配方法及存储介质
技术领域
本申请属于箭弹类飞行器姿轨控技术领域，具体涉及一种姿轨控火箭发动机压力匹配方法及存储介质。
背景技术
姿轨控火箭发动机通常配置有多台推力器，以实现对飞行器滚转、俯仰偏航及速度修正等的姿态控制，其具有推力范围宽等特点。发动机通常在各推力分支安装有不同节流压降的节流部件，以消除不同安装部位管路系统流阻差异、推力器自身加工偏差以及不同品种推力器入口压力差异等影响，进而实现系统压力配平。
实际工作过程中，系统压力及管路系统流阻随工况的变化其数值是在一定范围内波动的，并最终引起发动机推力变化，发动机对推力偏差具有要求，需将推力控制在要求的范围内，其关键点在于压力匹配基准点的选取。通常的做法是根据经验确定发动机压力匹配基准点，进而获得基准点下系统压力及管路系统流阻值，计算确定节流部件所需的压降值，并根据热试车推力偏差实现情况确定是否修正节流部件的压降值。采用通常的做法选取的基准点依靠经验确定，精准度不高，在推力控制要求较严格时或者系统压力与管路系统流阻波动较大时，推力单边超差(偏大或偏小)的风险较大。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种箭弹俯仰力矩系数和压力中心系数修正方法及存储介质。
根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其包括以下步骤：
选定需要调整的发动机机位，获得计算约束；其中，所述计算约束包括所述机位的发动机工作时的最大系统压力和最小系统压力，所述机位的发动机工作时的最大管路系统流阻和最小管路系统流阻；所述机位的发动机入口压力与推力的关系式；所述机位的发动机推力偏差范围；所述机位的发动机节流部件压降与推力的关系式；
建立关于所述机位理论最大推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值、所述机位理论最小推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值的方程组；
对建立的方程组进行求解，得到所述机位理论最大推力对应的偏差和所述机位理论最小推力对应的偏差；
根据求解得到的所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值，计算得到节流部件的压降；其中，所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值的差值的绝对值小于或等于预设的压降差阈值；
根据计算得到的节流部件的压降设定实际节流部件的压降，以完成姿轨控液体火箭发动机的压力匹配。
上述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中，当发动机推力相对额定推力偏差为k时，所述机位的发动机入口压力为Piv×f1(k)，Piv表示额定工况下的入口压力，f1(k)表示自变量为k的函数。
上述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中，当发动机推力相对额定推力偏差为k时，所述机位的发动机节流部件压降为X×f2(k)，X表示额定推力时的节流压降，f2(k)表示自变量为k的函数。
上述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中，建立的所述方程组为：
Figure BDA0002280064320000021
式中，ka表示机位理论最小推力对应的偏差，kb表示机位理论最大推力对应的偏差，kmin表示允许最小推力对应的偏差，kmax表示允许最大推力对应的偏差；Permin表示机位发动机工作时的最小系统压力，Permax表示机位发动机工作时的最大系统压力；Pmax表示机位发动机工作时的最大管路系统流阻，Pmin表示机位发动机工作时的最小管路系统流阻Pmin；Piv表示额定工况下的入口压力；Xa表示机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值，Xb表示机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值。
进一步地，所述函数f1(k)为：f1(k)＝(1+k)×(2+k)；所述函数f2(k)为：f2(k)＝(1+k)×(1+k)，k表示发动机推力相对额定推力的偏差。
进一步地，对方程组进行求解的具体过程为：
设定所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值，其中，偏差ka与偏差kb满足kmin≤ka＜kb≤kmax；
将所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值均带入所述方程组中，分别得到所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa，以及所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb；
判断所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值是否小于或等于预设的压降差阈值；
如果是，则求解结束；
否则，重新设定所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值，重新求解，直至求解得到的所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值小于或等于预设的压降差阈值。
更进一步地，所述压降差阈值设置为0.01～0.03MPa。
上述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中，将所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值或者所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值作为节流部件的压降。
上述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中，将所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值的几何平均值作为节流部件的压降。
根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法的步骤。
根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请通过限定理论推力上限偏离要求推力上限的幅度与理论推力下限偏离要求推力下限的幅度相等，对压力匹配基准点进行约定，避免依靠人为经验确定压力匹配基准点，能够降低因压力匹配基准点选取不合适导致推力单边超差的风险，具有精准度高的特点。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的一种箭弹俯仰力矩系数和压力中心系数修正方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
如图1所示，本申请实施例提供的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法用于计算确定发动机节流部件的压降值，通过要求理论推力上限偏离要求推力上限的幅度与理论推力下限偏离要求推力下限的幅度相等，对压力匹配基准点进行约定，其具体包括以下步骤：
S11、选定需要调整的发动机机位，获得计算约束。
其中，计算约束包括：
该机位发动机工作时的最大系统压力Permax和最小系统压力Permin，该机位发动机工作时的最大管路系统流阻Pmax和最小管路系统流阻Pmin；
该机位发动机入口压力与推力的关系式；其中，发动机推力相对额定推力偏差为k时入口压力可以为Piv×f1(k)，Piv表示额定工况下的入口压力；f1(k)表示自变量为k的函数，其根据实际设计工况确定；
该机位发动机推力偏差范围[kmin,kmax]；其中，kmin表示允许最小推力对应的偏差，kmax表示允许最大推力对应的偏差；
该机位发动机节流部件压降与推力的关系式；其中，发动机推力相对额定推力偏差为k时节流部件压降可以为X×f2(k)，X表示额定推力时的节流压降，f2(k)表示自变量为k的函数。
S12、建立关于该机位理论最大推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值、该机位理论最小推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值的方程组。
根据压力匹配基准点选取依据，所确定的基准点计算的节流部件压降满足理论推力上限偏离要求推力上限的幅度与理论推力下限偏离要求推力下限的幅度相等，取该机位理论最大推力对应的偏差为kb，该机位理论最小推力对应的偏差为ka，满足：ka-kmin＝kmax-kb。
基于系统压力平衡，理论最小推力时系统压力满足：
Permin＝Pmax+Piv×f1(ka)+Xa×f2(ka)，
理论最大推力时系统压力满足：
Permax＝Pmin+Piv×f1(kb)+Xb×f2(kb)。
因此，建立的方程组为：
Figure BDA0002280064320000061
S13、对方程组进行求解，得到该机位理论最大推力对应的偏差和该机位理论最小推力对应的偏差，其具体过程为：
S131、设定该机位理论最小推力对应的偏差ka的值和该机位理论最大推力对应的偏差kb的值，其中，偏差ka与偏差kb需要满足kmin≤ka＜kb≤kmax。
S132、将该机位理论最小推力对应的偏差ka的值和该机位理论最大推力对应的偏差kb的值均带入步骤S12的方程组中，分别得到该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa，以及该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb。
S133、判断该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值是否小于或等于预设的压降差阈值，如果是，则求解结束；否则，重新设定该机位理论最小推力对应的偏差ka的值和该机位理论最大推力对应的偏差kb的值，重新求解，直至求解得到的该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值小于或等于预设的压降差阈值。
具体地，压降差阈值通常设置为0.01～0.03MPa。
S14、根据求解得到的该机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与该机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值，计算得到节流部件的压降。
可以理解的是，当压降差阈值设置为接近于0且满足工程需求时，该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb近似相等，可以将该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa或该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb作为节流部件的压降。
当然，也可以将该机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与该机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的几何平均值作为节流部件的压降。
S15、根据计算得到的节流部件的压降设定实际节流部件的压降，以完成姿轨控液体火箭发动机的压力匹配。
下面结合一具体的实施例对本申请提供的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法进行说明。在该实施例中，需要确定P1发动机O路节流部件的压降值，其具体过程为：
S21、获得计算约束。
该计算约束包括：
P1机位发动机工作时最大系统压力Permax＝3.56MPa和最小系统压力Permin＝3.23MPa；
P1机位发动机工作时O路最大管路系统流阻Pmax＝0.29MPa和最小管路系统流阻Pmin＝0.29MPa；
P1机位发动机在额定工况下的O路入口压力为Piv＝2.7MPa，相对额定推力偏差为k时O路入口压力为Piv×f1(k)＝2×(1+k)+0.7×(1+k)×(1+k)；
P1机位发动机允许最小推力对应的偏差为kmin＝-0.1，允许最大推力对应的偏差为kmax＝+0.1；
P1机位发动机节流部件的压降与推力的关系式为：
X×f2(k)＝X×(1+k)×(1+k)。
S22、建立方程组。
根据压力匹配点选取依据，有：ka-(-0.1)＝0.1-kb；
基于系统压力平衡，理论最小推力时系统压力满足：
3.23＝0.29+2×(1+ka)+0.7×(1+ka)×(1+ka)+Xa×(1+ka)×(1+ka)，
理论最大推力时系统压力满足：
3.56＝0.04+2×(1+kb)+0.7×(1+kb)×(1+kb)+Xb×(1+kb)×(1+kb)。
S23、求解方程组。
当取ka＝-kb＝-0.065时，计算得到的Xa的值为0.5239，Xb的值为0.5255，Xa与Xb的差值为0.0016。本实施例中预设的压降差阈值为0.01，则表明求取的Xa与Xb的值满足要求，求解结束。
S24、将求取的Xa与Xb的几何平均值作为节流部件的压降，完成姿轨控液体火箭发动机压力匹配。
可以得到P1机位发动机O路的节流压降为0.5247MPa。
本申请提供的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，通过要求理论推力上限偏离要求推力上限的幅度与理论推力下限偏离要求推力下限的幅度相等，对压力匹配基准点进行约定，能够降低因压力匹配基准点选取不合适导致推力单边超差的风险，具有精准度高的特点。
在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，例如，包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由处理器执行，以完成前述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法中的所述步骤。
上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本申请的实施例也可表示在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本申请也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)执行的多种功能。可根据本申请配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本申请揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展表示不同的程序语言与不同的格式或形式。也可表示不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本申请执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本申请的精神与范围。
以上所述仅表示本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
选定需要调整的发动机机位，获得计算约束；其中，所述计算约束包括所述机位的发动机工作时的最大系统压力和最小系统压力，所述机位的发动机工作时的最大管路系统流阻和最小管路系统流阻；所述机位的发动机入口压力与推力的关系式；所述机位的发动机推力偏差范围；所述机位的发动机节流部件压降与推力的关系式；
建立关于所述机位理论最大推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值、所述机位理论最小推力对应的偏差及其对应的节流部件压降值的方程组；
对建立的方程组进行求解，得到所述机位理论最大推力对应的偏差和所述机位理论最小推力对应的偏差；
根据求解得到的所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值，计算得到节流部件的压降；其中，所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值的差值的绝对值小于或等于预设的压降差阈值；
根据计算得到的节流部件的压降设定实际节流部件的压降，以完成姿轨控液体火箭发动机的压力匹配。
2.根据权利要求1所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，当发动机推力相对额定推力偏差为k时，所述机位的发动机入口压力为Piv×f1(k)，Piv表示额定工况下的入口压力，f1(k)表示自变量为k的函数。
3.根据权利要求1所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，当发动机推力相对额定推力偏差为k时，所述机位的发动机节流部件压降为X×f2(k)，X表示额定推力时的节流压降，f2(k)表示自变量为k的函数。
4.根据权利要求2或3所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，建立的所述方程组为：
Figure FDA0002280064310000021
式中，ka表示机位理论最小推力对应的偏差，kb表示机位理论最大推力对应的偏差，kmin表示允许最小推力对应的偏差，kmax表示允许最大推力对应的偏差；Permin表示机位发动机工作时的最小系统压力，Permax表示机位发动机工作时的最大系统压力；Pmax表示机位发动机工作时的最大管路系统流阻，Pmin表示机位发动机工作时的最小管路系统流阻Pmin；Piv表示额定工况下的入口压力；Xa表示机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值，Xb表示机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值。
5.根据权利要求4所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，所述函数f1(k)为：f1(k)＝(1+k)×(2+k)；所述函数f2(k)为：f2(k)＝(1+k)×(1+k)，k表示发动机推力相对额定推力的偏差。
6.根据权利要求4所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，对方程组进行求解的具体过程为：
设定所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值，其中，偏差ka与偏差kb满足kmin≤ka＜kb≤kmax；
将所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值均带入所述方程组中，分别得到所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa，以及所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb；
判断所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值是否小于或等于预设的压降差阈值；
如果是，则求解结束；
否则，重新设定所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值和所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值，重新求解，直至求解得到的所述机位理论最小推力对应的偏差ka的值所对应的节流部件压降值Xa与所述机位理论最大推力对应的偏差kb的值所对应的节流部件压降值Xb的差值的绝对值小于或等于预设的压降差阈值。
7.根据权利要求6所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，所述压降差阈值设置为0.01～0.03MPa。
8.根据权利要求1或2或3所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，将所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值或者所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值作为节流部件的压降。
9.根据权利要求1或2或3所述的姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法，其特征在于，将所述机位理论最小推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值与所述机位理论最大推力对应的偏差值所对应的节流部件压降值的几何平均值作为节流部件的压降。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9任一项所述姿轨控液体火箭发动机压力匹配方法的步骤。
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