CN113697132B - 一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，本发明利用载人飞船返回舱内部的惯性测量单元提供当前的俯仰角速度q和偏航角速度r计算返回舱姿态角变化率RSS，通过返回舱姿态角变化率RSS与RSS开伞阈值比较来控制减速伞开伞，通过返回舱姿态角变化率RSS与的RSS分离阈值或者OF值与OF分离阈值进行比较判断减速伞分离情况，或者当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时发出减速伞分离指令，本发明的算法显著降低了减速伞开伞至主伞开伞期间返回舱的振荡幅度，降低了出现大底朝前等不利于主伞开伞的情形的发生。

Description

一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体涉及一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法。
背景技术
当返回舱下降到20km以下时，飞行马赫数小于1，返回舱以亚声速飞行，此时姿态是不稳定的，容易出现较大幅度的摆动、平面旋转和翻滚等现象，并且随着高度的降低，这种现象会越来越严重。单纯依靠控制系统保持返回舱姿态会耗费较大的能量，因而需要借助减速伞。减速伞又称稳定减速伞，具有开伞动压高、载荷大的特点，它为主伞开伞创造有利条件，在返回舱气动减速过程中发挥着关键作用，甚至关系整个回收着陆任务的成败。而所谓的有利条件，包括以下几个方面：首先，主伞包是由减速伞拉出的；其次，减速伞进一步降低返回舱下落速度，使主伞的开伞速度小于临界开伞速度，避免出现伞衣不能充满的情形；第三，稳定返回舱姿态。
传统静压高度控制法发出减速伞开伞和分离指令时不考虑返回舱姿态和振荡幅度，可能妨碍主伞开伞的问题，具体包括：
第一，减速伞开伞前，返回舱的振荡幅度可能已经很大，而在传统的静压高度控制方案中，回收控制系统是不会检测返回舱姿态的，更无法通过检测选择好的姿态和时机实施开伞。
第二，返回舱配平攻角与伞下稳定悬挂时的攻角之间差值较大，一旦减速伞分离，在主伞伞绳拉直之前，返回舱可能出现大幅度的振荡，增大主伞伞绳拉直阶段返回舱的摆动幅度，此时拉出主伞，可能出现主伞不易打开的情形。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，本发明解决了传统静压高度控制法发出减速伞开伞和分离指令时不考虑返回舱姿态和振荡幅度，可能妨碍主伞开伞的问题。本发明的具体内容如下：
本发明的目的在于提供一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其技术点在于：该算法是通过以下步骤实现的：
步骤一，利用载人飞船返回舱内部的惯性测量单元提供当前的俯仰角速度q和偏航角速度r，按照下列公式计算返回舱姿态角变化率RSS：
；
步骤二，回收着陆系统实时监测步骤一中所述的返回舱姿态角变化率RSS和开伞窗口，当开伞窗口打开时，将返回舱姿态角变化率RSS与提前设定好的RSS开伞阈值进行比较，如果大于RSS开伞阈值则在开伞窗口关闭前弹射减速伞；
否则，在开伞窗口关闭时弹射减速伞；
步骤三，实时监测返回舱姿态角变化率RSS，记返回舱姿态角变化率波峰为RSSpeak，返回舱姿态角变化率波谷为RSStrough，按照下列公式计算OF值：
；
步骤四，当减速伞开伞后，回收着陆系统继续实时监测步骤一所述的返回舱姿态角变化率RSS和分离窗口，分离窗口打开时，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将RSS与提前设定好的RSS分离阈值进行比较，当结果小于RSS分离阈值则发出减速伞分离指令；或者，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将步骤四所述的OF值与提前设定好的OF分离阈值进行比较，当小于OF分离阈值则发出减速伞分离指令；
否则，在分离窗口关闭时分离减速伞。
进一步的，所述开伞窗口为开伞高度窗口或者开伞时间窗口。
进一步的，所述开伞高度窗口为7400-9000m。
进一步的，以10km高度作为0s时，所述开伞时间窗口为7-17s。
进一步的，所述分离窗口为分离高度窗口或者分离时间窗口。
进一步的，所述分离高度窗口为4500-5000m。
进一步的，以10km高度作为0s时，所述分离时间窗口52-60s。
进一步的，所述RSS分离阈值为0.1rad/s。
进一步的，所述OF分离阈值为30%。
与现有技术相比，本发明的用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法的有益效果为：
本发明的用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法显著降低了减速伞开伞至主伞开伞期间返回舱的振荡幅度，降低了出现大底朝前等不利于主伞开伞的情形的发生。
附图说明
图1为减速伞开伞控制算法工作示意图；
图2为开伞前动压与速度随高度变化曲线；
图3为不同工况下高度、时间控制仿真结果；
图4为不同工况下时间控制仿真结果；
图5基于最小RSS检测的控制算法工作示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
本发明的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法是通过以下步骤实现的：
步骤一，利用载人飞船返回舱内部的惯性测量单元提供当前的俯仰角速度q和偏航角速度r，按照下列公式计算返回舱姿态角变化率RSS：
，如图1所示的减速伞开伞控制算法的工作示意图表示返回舱姿态角变化率RSS随时间的变化的示意图。
步骤二，回收着陆系统实时监测步骤一中所述的返回舱姿态角变化率RSS和开伞窗口，当开伞窗口打开时，将返回舱姿态角变化率RSS与提前设定好的RSS开伞阈值进行比较，如果大于RSS开伞阈值则在开伞窗口关闭前弹射减速伞；返回舱在低马赫数下飞行状态不稳定，需要借助减速伞保持姿态。实际回收中，可能在到达预定高度之前，返回舱已经出现了较大幅度的振荡，减速伞需要提前介入工作。因此，回收着陆系统在检测到超过阈值的振荡时，可以在一定范围内提前弹射减速伞。
否则，在开伞窗口关闭时弹射减速伞；
步骤三，实时监测返回舱姿态角变化率RSS，记返回舱姿态角变化率波峰为RSSpeak，返回舱姿态角变化率波谷为RSStrough，按照下列公式计算OF值：
；
步骤四，当减速伞开伞后，回收着陆系统继续实时监测步骤一所述的返回舱姿态角变化率RSS和分离窗口，分离窗口打开时，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将RSS与提前设定好的RSS分离阈值进行比较，当结果小于RSS分离阈值则发出减速伞分离指令；或者，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将步骤四所述的OF值与提前设定好的OF分离阈值进行比较，当小于OF分离阈值则发出减速伞分离指令；
当满足仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，攻角位于波峰附近，距离配平位置最近，当发出减速伞分离指令同时将RSS与提前设定好的RSS分离阈值进行比较，当结果小于RSS分离阈值时，攻角变化率最小。
否则，在分离窗口关闭时分离减速伞。
图5展示了算法工作细节，分离窗口到来之前，RSS和俯仰角速度峰谷检测器已经开始工作，峰谷值被更新并记录，由于需要记录前后幅值以判断极值，波峰和波谷输出有一定的延迟。窗口在5s时刻打开，宽度设为6s，算法在这期间检测俯仰角速率和RSS。7.9s时，检测到俯仰角速度处于下降沿且接近0且RSS小于设定阈值，减速伞分离信号随即发出。
进一步的，所述开伞窗口为开伞高度窗口或者开伞时间窗口。
进一步的，正常情况下，减速伞的弹伞高度在7400m，开伞动压6.2kPa。根据开伞前动压与速度随高度变化曲线如图2所示，如果提前到9000m高度，开伞动压为5.7kPa，速度157m/s，仍能保证减速伞正常开伞，因此开伞高度窗口为7400-9000m为佳。
进一步的，所述分离窗口为分离高度窗口或者分离时间窗口。
进一步的，分离高度窗口需要在减速伞全张满并工作一段时间后开启，在到达最低开伞高度前结束，并且分离窗口受到开伞窗口的影响。正常情况下，减速伞分离高度窗口为4500-5000m，考虑在此高度区间内运用减速伞分离控制算法。为此，仿真了不同工况下的回收着陆弹道。其中，工况一和二中减速伞提前开伞，主伞在不同高度开伞，减速伞和主伞全部打开；工况三中，1具减速伞故障；而工况四是1具减速伞和1具主伞故障且主伞开伞高度低的严苛工况。
表1 高度、时间控制仿真工况
如图3和表1结果表明，各工况下，开伞动压均未超出降落伞设计范围；竖直方向的稳降速度在9m/s以下，能够保证安全着陆；4500-5000m的分离高度窗口时长超过6s，相当于3个返回舱振荡周期，可以为算法选择分离点提供足够的裕量；高度窗口不会在减速伞全张满之前开启，4500-5000m的分离高度窗口是较为合理的。
各时间点和时间窗口的确定主要依靠在质点弹道仿真结果中，将高度控制的节点转化为相应的时刻，同时也综合考虑其他因素。
表2 时间控制仿真工况
表2和图4的结果表明，各工况下，开伞动压均未超出降落伞设计范围；竖直方向的稳降速度在9m/s以下；在工况四较为严苛的仿真条件下，阻力面积损失且开伞高度低，160s时刻开始气囊充气时，高度约1600m，距离触地仍有足够的高度和时间裕量。
综上，选择10km高度作为T=0s时刻，T=7-17s作为开伞时间窗口，T=52-60s作为分离时间窗口是合理可行的。
进一步的，所述RSS分离阈值为0.1rad/s。
进一步的，所述OF分离阈值为30%。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：该算法是通过以下步骤实现的：
步骤一，利用载人飞船返回舱内部的惯性测量单元提供当前的俯仰角速度q和偏航角速度r，按照下列公式计算返回舱姿态角变化率RSS：
；
步骤二，回收着陆系统实时监测步骤一中所述的返回舱姿态角变化率RSS和开伞窗口，当开伞窗口打开时，将返回舱姿态角变化率RSS与提前设定好的RSS开伞阈值进行比较，如果大于RSS开伞阈值则在开伞窗口关闭前弹射减速伞；
否则，在开伞窗口关闭时弹射减速伞；
步骤三，实时监测返回舱姿态角变化率RSS，记返回舱姿态角变化率波峰为RSSpeak，返回舱姿态角变化率波谷为RSStrough，按照下列公式计算OF值：
；
步骤四，当减速伞开伞后，回收着陆系统继续实时监测步骤一所述的返回舱姿态角变化率RSS和分离窗口，分离窗口打开时，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将RSS与提前设定好的RSS分离阈值进行比较，当结果小于RSS分离阈值则发出减速伞分离指令；或者，当俯仰角速度q处于下降沿且在特定区间范围内时，同时将步骤三所述的OF值与提前设定好的OF分离阈值进行比较，当小于OF分离阈值则发出减速伞分离指令；
否则，在分离窗口关闭时分离减速伞。
2.根据权利要求1所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述开伞窗口为开伞高度窗口或者开伞时间窗口。
3.根据权利要求2所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述开伞高度窗口为7400-9000m。
4.根据权利要求2所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：以10km高度作为0s时，所述开伞时间窗口为7-17s。
5.根据权利要求1所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述分离窗口为分离高度窗口或者分离时间窗口。
6.根据权利要求5所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述分离高度窗口为4500-5000m。
7.根据权利要求5所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：以10km高度作为0s时，所述分离时间窗口为52-60s。
8.根据权利要求1所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述RSS分离阈值为0.1rad/s。
9.根据权利要求1所述的一种用于载人飞船返回舱的减速伞开伞和分离控制算法，其特征在于：所述OF分离阈值为30%。
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