CN112149292B - 发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质，其中，方法包括：获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量；根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量；根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩。本申请实施例提供的发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质能够提高发动机控制的精准度。

Description

发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及发动机控制技术，尤其涉及一种发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质。

背景技术

固定喷管固体发动机是一种应用于大气层外飞行器的发动机，其推力线偏斜和横移是飞行器姿态稳定控制的主要干扰因素，在传统的姿控系统干扰量分析中，仅考虑了发动机推力线偏斜和横移的静态测量值，未考虑推力线偏斜和横移的动态变化过程。然而，推力线偏斜和横移的动态变化对姿态系统的干扰量的影响是比较大的，在控制力较大的情况下可以完成对该干扰项的克服和稳定控制，若控制力较小，控制余量较低，则有可能导致控制力矩无法克服干扰力矩，进而导致飞行器姿态失稳和飞行试验失利。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种发动机干扰力矩确定方法、设备及存储介质。

本申请第一方面实施例提供一种发动机干扰力矩确定方法，包括：

获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量；

根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩。

本申请第二方面实施例提供一种发动机干扰力矩确定设备，包括：

存储器；

处理器；以及

计算机程序；

其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如上所述的方法。

本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如上所述的方法。

本申请实施例提供的技术方案，通过获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量，根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量，根据最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩，通过获知发动机推力线的动态横移和偏斜能够确定发动机的动态变化，有利于提高发动机控制的精准度，进而提高飞行器的控制精准度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一提供的发动机干扰力矩确定方法的流程图；

图2为本申请实施例一提供的发动机喷管喉径的横移和偏斜状态示意图；

图3为本申请实施例二提供的发动机干扰力矩确定方法中获取最大偏差烧蚀量的流程图；

图4为本申请实施例二提供的发动机喷管的截面示意图；

图5为本申请实施例四提供的发动机干扰力矩确定设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供一种发动机干扰力矩确定方法，能够应用于火箭的发动机。该方法可以由发动机干扰力矩确定设备中的处理器来执行。

实际应用中，该发动机干扰力矩确定方法可以通过计算机程序实现，例如，应用软件等；或者，该方法也可以实现为存储有相关计算机程序的介质，例如，U盘、云盘等；再或者，该方法还可以通过集成或安装有相关计算机程序的实体装置实现，例如，芯片、可移动智能设备等。

火箭上的发动机在实际工作过程中，随着药柱的燃烧，喷管喉径部位会存在烧偏的现象，导致喷管喉径不能维持原有的静态形状，进而产生发动机推力线横移和偏斜的变化。本实施例是基于这一问题提供的发动机干扰力矩确定方法。

图1为本申请实施例一提供的发动机干扰力矩确定方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的发动机干扰力矩确定方法，包括：

步骤101、获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量。

图2为本申请实施例一提供的发动机喷管喉径的横移和偏斜状态示意图。如图2所示，O点为喷管出口中心，O1点和O点的连线表示火箭弹轴的轴线，也即发动机推力线。A点为喷管喉部初始位置的中心，B点为试车烧蚀后喷管喉部的中心。

O1点与A点之间的距离为喷管喉径的静态横移量；O1点与B点之间的距离为最大偏差烧蚀量，也为末秒横移量。

步骤101就是获取发动机在试车运行一段时间之后，喷管喉径的最大偏差烧蚀量，即：线段O1B的长度。

步骤102、根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量。

如图2所示，线段OA与OO1之间的夹角为静态偏斜角。线段OB与OO1之间的夹角为末秒偏斜角，也即最大偏斜烧蚀量。

步骤102就是要获取发动机在试车运行一段时间之后，喷管喉径的最大偏斜烧蚀量。最大偏斜烧蚀量与最大偏差烧蚀量之间具有的几何关系，可参照图2所示，根据最大偏差烧蚀量可确定最大偏斜烧蚀量。

步骤103、根据最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩。

综合干扰力矩可参考已有的静态力矩的计算方式来实现。根据上述两个步骤确定的最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定出发动机的综合干扰力矩，获知发动机推力线横移和偏斜的动态变化，并经过后续处理和计算后能够提高发动机推力线的控制精度，进而提高飞行器的稳定性和目标精准度。

本实施例提供的技术方案，通过获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量，根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量，根据最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩，通过获知发动机推力线的动态横移和偏斜能够确定发动机的动态变化，有利于提高发动机控制的精准度，进而提高飞行器的控制精准度。

实施例二

本实施例是在上述实施例的基础上，对发动机干扰力矩确定方法进行优化，尤其是对上述步骤101的实现方式进行优化。

图3为本申请实施例二提供的发动机干扰力矩确定方法中获取最大偏差烧蚀量的流程图。如图3所示，上述步骤101具体可以采用如下步骤来实现：

步骤1011、获取在试车后的发动机喷管喉径中一侧的最大烧蚀率以及相对的另一侧的最小烧蚀率。

图4为本申请实施例二提供的发动机喷管的截面示意图。如图4所示，对试车后的发动机喷管喉衬进行解剖，在周向选取n个测量点，第i(i＝1,2，…，n)个测量点的喉衬剩余厚度为Li。架设喉衬的初始厚度为L0，试车发动机工作时间为t，则第n个测量点的线烧蚀率为：ai＝(L0-Li)/t。

图4中示出了4个测量点，仅用于示意性地说明本实施例的技术方案。在实际应用中，测量点的数量可以大于4个，各测量点沿周向均匀排布。

通常喉衬一侧的线烧蚀率最大，则与之相对的另一侧的线烧蚀率最小。根据相对两侧的最大线烧蚀率和最小线烧蚀率即可确定最大偏差烧蚀量。例如采用如下公式来计算：

ζ_max＝t_max×(max(ai)-min(ai))，

其中，ζ_max为喷管喉径的最大偏差烧蚀量，t_max为发动机的试车时间，max(ai)为喷管喉径中一侧的最大烧蚀率，min(ai)为喷管喉径另一侧的最小烧蚀率。

喷管喉径的最大偏差烧蚀量ζ_max即为喉径中心点偏移量，也就是烧蚀增大的动态推力线横移量。

步骤1012、根据发动机的试车时间以及最大烧蚀率和最小烧蚀率确定最大偏差烧蚀量。

烧蚀后的喉径中心B与喷管出口中心的连线与弹轴之间的夹角为烧蚀增大的推力线偏斜量，也即最大偏差烧蚀量η。例如可通过如下公式计算得到：

η＝arctan(ζ_max/d)，

其中，d为喷管出口与喷管喉部几何中心连线的距离，也即图1中OO1线段的长度。

在上述技术方案的基础上，若喉径最大烧蚀率的方向与静态推力横移、偏斜方向重合，即将烧蚀后增加的推力线横移量和偏斜量加上静态实测值作为发动机工作末秒值，此时发动机工作末秒的推力线横移值为：

ζ_末＝ζ₀+t_max×(max(ai)-min(ai))，

其中，ζ₀为推力线横移静态测量值。

发动机工作末秒的推力线偏斜值为：

η_末＝arctan(ζ_末/d)。

通过发动机工作末秒的推力线横移值和偏斜值即可确定综合干扰力矩。

若喉径最大烧蚀率的方向不一定沿着原静态偏斜和横移的方向，也不定沿着最大、最小线烧蚀率进行烧蚀，为了更加准确地描述动态推力线偏斜和横移的统计学规律，可采用如下实施例所提供的方式：

实施例三

本实施例是在上述实施例的基础上，对发动机干扰力矩确定方法进行优化，尤其是对确定发动机综合干扰力矩的实现方式进行优化。

上述步骤103的具体实现方式可以为：首先，根据最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量进行打靶仿真处理，然后根据打靶仿真处理的结果确定发动机的综合干扰力矩。

其中，根据最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量进行打靶仿真处理，包括两部分，其一是根据获取到的发动机的推力线横移静态测量值及推力线偏斜值确定静态横移参数和静态偏移参数，其二是根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定动态横移参数和动态偏移参数。

对于静态偏斜和偏移，其产生的方向在俯仰和偏航通道上随机，二者之间方向没有关系，且数值不随发动机工作变化。

一种实现方式：静态横移参数和静态偏移参数，可分别采用如下方式进行确定：

根据如下公式确定静态横移参数：

ζ_{静_俯仰}＝ζ₀×sin(θ^*)，

ζ_{静_偏航}＝ζ₀×cos(θ^*)，

其中，静态横移参数包括ζ_{静_俯仰}和ζ_{静_偏航}，ζ₀为推力线横移静态测量值，可通过已有方案进行获取，本实施例做详细说明，也不限定具体的方式。

根据如下公式确定静态偏移参数：

η_{静_俯仰}＝η₀×sin(σ^*)，

η_{静_偏航}＝η₀×cos(σ^*)，

其中，静态偏移参数包括η_{静_俯仰}和η_{静_偏航}，η₀为推力线偏移静态值，θ和σ为相互独立的两个随机分布数，在进行仿真时按随机分布生成。

推力线偏移静态值η₀通过如下公式计算得到：

η₀＝arctan(ζ₀/d)，

d为喷管出口与喷管喉部几何中心连线的距离。

对于动态偏斜和偏移，其产生的方向在俯仰和偏航通道上随机，根据动态偏斜和横移的产生远离，二者之间产生的方向一致。在发动机零秒时，动态偏斜量和偏移量均为零，发动机工作末秒为以零为均值，以最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量为3σ值的正态分布随机数，中间秒点的偏斜和偏移动态值按质量插值使用。

一种实现方式：动态横移参数和动态偏移参数，可分别采用如下方式进行确定：

通过如下公式计算动态横移参数：

ζ_{动_俯仰(末秒)}＝sin(γ^*)×Δ×ζ，

ζ_{动_偏航(末秒)}＝cos(γ^*)×Δ×ζ，

其中，动态横移参数包括ζ_{动_俯仰(末秒)}和ζ_{动_偏航(末秒)}，ζ为最大偏差烧蚀量；

通过如下公式计算动态偏移参数：

η_{动_俯仰(末秒)}＝sin(γ^*)×Δ×η，

η_{动_偏航(末秒)}＝cos(γ^*)×Δ×η，

其中，动态偏移参数包括η_{动_俯仰(末秒)}和η_{动_偏航(末秒)}，η为最大偏斜烧蚀量，Δ∈N{0,(1/3)²}，γ为随机分布数。

在上述步骤之后，根据打靶仿真处理的结果确定发动机的综合干扰力矩，即：根据上述静态横移参数、静态偏移参数、动态横移参数和动态偏移参数确定发动机的综合干扰力矩。

具体的，分别计算当前秒点下的俯仰、偏航通道的静态、动态偏斜横移干扰力矩M_η和M_ζ，再做代数和即可得到综合干扰力矩M_综合。

M_η静＝η_静×P_e×(L_p-X_c)，

M_η动＝η_动×P_e×(L_p-X_c)，

M_η＝M_η(静)+M_η(动)，

M_ζ静＝ζ_静×P_e，

M_ζ动＝ζ_动×P_e，

M_ζ＝M_ζ(静)+M_ζ(动)，

M_综合＝M_η+M_ζ，

其中，P_e为发动机推力，L_p为发动机推力作用点到质心距离，X_c为质心位置。

上述方案中，基于发动机喷管线烧蚀率不对称的产生过程建立了动态推力线偏斜和横移的数学模型，并根据动态模型计算的结果确定的综合干扰力矩，更贴合发动机喷管因烧蚀所产生的推力线偏斜和横移的变化规律，进而能够提高对发动机进行控制的精准度。

针对推力线偏斜和横移静态测量值，打靶仿真时采用数值不变、方向随机的处理方法；针对推力线偏斜和横移的动态烧蚀值，根据发动机喉径线烧蚀率确定动态值边界，打靶仿真时时采用数值和方向两维随机的处理方法。通过以上过程为发动机姿态控制干扰力矩计算、执行机构选型等工作提供准确输入条件。

对最大偏差烧蚀量的计算方式并不局限于本实施例所提供的上述方案，也可以采用其他方式，例如：对发动机喷管喉径上的各个测量点之间的线烧蚀率做平均，或加权平均等，或进行分区后再计算平均值等方式得到最大偏差烧蚀量。或者也可以采用其他的方式，本实施例不做限定。

实施例四

图5为本申请实施例四提供的发动机干扰力矩确定设备的结构示意图。如图5所示，本实施例提供一种发动机干扰力矩确定设备，包括：存储器51、处理器52、以及计算机程序。其中，计算机程序存储在存储器51中，并被配置为由处理器52执行以实现如上任一内容所提供的方法。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上任一内容所提供的方法。

本实施例提供的设备和存储介质具有与上述方法相同的技术效果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种发动机干扰力矩确定方法，其特征在于，包括：

获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量；

根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定发动机的综合干扰力矩，包括：

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量进行打靶仿真处理；

根据打靶仿真处理的结果确定发动机的综合干扰力矩；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量进行打靶仿真处理，包括：

根据获取到的发动机的推力线横移静态测量值及推力线偏斜值确定静态横移参数和静态偏移参数；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定动态横移参数和动态偏移参数；

根据获取到的发动机的推力线横移静态测量值及推力线偏斜值确定静态横移参数和静态偏移参数，包括：

根据如下公式确定静态横移参数：

ζ_{静_俯仰}＝ζ₀×sin(θ^*)，

ζ_{静_偏航}＝ζ₀×cos(θ^*)，

其中，静态横移参数包括ζ_{静_俯仰}和ζ_{静_偏航}，ζ₀为推力线横移静态测量值；

根据如下公式确定静态偏移参数：

η_{静_俯仰}＝η₀×sin(σ^*)，

η_{静_偏航}＝η₀×cos(σ^*)，

其中，静态偏移参数包括η_{静_俯仰}和η_{静_偏航}，η₀为推力线偏移静态值，θ和σ为相互独立的两个随机分布数；

推力线偏移静态值η₀通过如下公式计算得到：

η₀＝arctan(ζ₀/d)，

d为喷管出口与喷管喉部几何中心连线的距离；

根据所述最大偏差烧蚀量和最大偏斜烧蚀量确定动态横移参数和动态偏移参数，包括：

通过如下公式计算动态横移参数：

ζ_{动_俯仰(末秒)}＝sin(γ^*)×Δ×ζ，

ζ_{动_偏航(末秒)}＝cos(γ^*)×Δ×ζ，

其中，动态横移参数包括ζ_{动_俯仰(末秒)}和ζ_{动_偏航(末秒)}，ζ为最大偏差烧蚀量；

通过如下公式计算动态偏移参数：

η_{动_俯仰(末秒)}＝sin(γ^*)×Δ×η，

η_{动_偏航(末秒)}＝cos(γ^*)×Δ×η，

其中，动态偏移参数包括η_{动_俯仰(末秒)}和η_{动_偏航(末秒)}，η为最大偏斜烧蚀量，Δ∈N{0,(1/3)²}，γ为随机分布数；

根据打靶仿真处理的结果确定发动机的综合干扰力矩，包括：

根据上述静态横移参数、静态偏移参数、动态横移参数和动态偏移参数确定发动机的综合干扰力矩；

具体的，分别计算当前秒点下的俯仰、偏航通道的静态、动态偏斜横移干扰力矩M_η和M_ζ，再做代数和即可得到综合干扰力矩M_综合；

M_η静＝η_静×P_e×(L_p-X_c)，

M_η动＝η_动×P_e×(L_p-X_c)，

M_η＝M_η(静)+M_η(动)，

M_ζ静＝ζ_静×P_e，

M_ζ动＝ζ_动×P_e，

M_ζ＝M_ζ(静)+M_ζ(动)，

M_综合＝M_η+M_ζ，

其中，P_e为发动机推力，L_p为发动机推力作用点到质心距离，X_c为质心位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取在试车后的发动机喷管喉径的最大偏差烧蚀量，包括：

获取在试车后的发动机喷管喉径中一侧的最大烧蚀率以及相对的另一侧的最小烧蚀率；

根据发动机的试车时间以及所述最大烧蚀率和最小烧蚀率确定最大偏差烧蚀量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据发动机的试车时间以及所述最大烧蚀率和最小烧蚀率确定最大偏差烧蚀量，具体为根据如下公式计算最大偏差烧蚀量：

ζ_max＝t_max×(max(ai)-min(ai))，

其中，ζ_max为喷管喉径的最大偏差烧蚀量，t_max为发动机的试车时间，max(ai)为喷管喉径中一侧的最大烧蚀率，min(ai)为喷管喉径另一侧的最小烧蚀率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据最大偏差烧蚀量确定喷管喉径的最大偏斜烧蚀量，具体为根据如下公式计算最大偏斜烧蚀量：

η＝arctan(ζ_max/d)，

其中，η为喷管喉径的最大偏斜烧蚀量，d为喷管出口与喷管喉部几何中心连线的距离。

5.一种发动机干扰力矩确定设备，其特征在于，包括：

存储器；

处理器；以及

计算机程序；

其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，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以实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

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