CN113772113B - 一种舰载垂直发射载荷的投放方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种舰载垂直发射载荷的投放方法，属于载荷发射技术领域，解决了现有技术中舰载垂直发射载荷投放过程响应时间长、投放效率低的问题。本发明的投放方法步骤包括：步骤1：调转横向动力装置的喷口朝向；步骤2：载荷离开垂直发射筒；步骤3：对载荷进行扰动补偿；步骤4：载荷移动至投放区域。本发明的投放方法通过横向动力调转装置在载荷离开垂直发射筒前对喷口朝向调转，不占用响应时间，载荷离开垂直发射后进行扰动补偿，使得载荷始终以竖直姿态向投放区域运动，减小了载荷离开垂直发射筒后进行姿态调整的时间，提高了载荷投放部署速度。

Description

一种舰载垂直发射载荷的投放方法

技术领域

本发明涉及载荷发射技术领域，尤其涉及一种舰载垂直发射载荷的投放方法。

背景技术

目前，舰载垂直发射的投放(近距离)方法为：载荷发射离开垂直发射筒后，位于载荷尾部的反冲式动力装置(例如火箭发动机、涡喷发动机等)驱动载荷继续上升，姿态调整装置(例如舵翼、矢量喷管等)快速动作调整载荷的俯仰姿态角，使得载荷在竖直方向的速度转换至水平方向(一些情况下俯仰姿态角的调整还可能使得载荷快速地向水平面移动)，以实现特定轨迹的近距运动，载荷运动轨迹如图1所示。

此外，舰面垂直发射载荷发射后首先需要进行射向调转，现有舰面垂直发射载荷采用推力矢量方法，实现载荷垂直发射后的射向调转。由于燃气舵推力矢量方法需依靠发动机喷流进行工作，需在载荷发动机点火后，才能实现垂直发射载荷的射向调转，存在响应时间长的问题；同时，为满足在发动机高温、高速喷流环境下工作的需求，推力矢量方法在工程应用中使用的装置存在工艺复杂和成本高的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种舰载垂直发射载荷的投放方法，用以解决现有舰载垂直发射载荷投放过程响应时间长、投放效率低的问题。

本发明提供了一种舰载垂直发射载荷的投放方法，步骤包括：

步骤1：横向动力调转装置调转横向动力装置的喷口朝向；

步骤2：载荷离开垂直发射筒；

步骤3：对载荷进行扰动补偿；

步骤4：载荷移动至投放区域。

进一步，所述步骤1中，在横向动力装置的喷口朝向调转前确定调转角和调转方向。

进一步，当横向动力装置的推力方向绕载荷轴向的旋转角度θ_x≤180°时，横向动力装置的调转角度θ_调转＝θ_x，调转方向为绕载荷轴向正向旋转。

进一步，当θ_x＞180°时，横向动力装置调转角度θ_调转＝360°-θ_x，调转方向为绕载荷轴向反向旋转。

进一步，所述步骤3中，载荷扰动补偿步骤包括：

步骤3.1：获取载荷绕载荷轴向旋转的角速度；

步骤3.2：横向动力装置绕载荷偏转轴偏转进行扰动补偿。

进一步，所述步骤3.1中，所述角速度通过载荷轴向设置的陀螺仪获得。

进一步，所述步骤3.2中，横向动力装置的偏转角度满足：

其中，为载荷绕载荷轴向旋转的角速度，L为横向动力装置的偏转轴距离载荷中心点的距离，I_xx为载荷绕轴向的转动惯量，F_横向为横向动力装置的推力。

进一步，所述步骤2中，载荷以冷发射方式离开垂直发射筒。

进一步，所述步骤2中，载荷以热发射方式离开垂直发射筒。

进一步，所述步骤4中，当载荷移动至投放区域时，投放载荷中的装载物。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)在载荷离开垂直发射筒前对横向动力装置的喷口朝向进行调转，与载荷离开垂直发射筒后再进行射向调转相比，不占用载荷响应时间，缩短了垂直发射载荷调转射向所需时间，提高了垂直发射载荷的工作效能。

(2)在载荷离开发射筒后进行扰动补偿，使载荷离开垂直发射筒后仍以处于垂直发射筒内的姿态进行移动，即横向动力装置的喷口始终处于同一水平方向，避免垂直发射载荷运动轨迹的散布，缩短了载荷运行时间。

(3)在载荷离开发射筒后，启动横向动力装置，使得载荷获得水平速度向投放区域移动，在保证载荷横向运动情况下，载荷可以快速地达到近地投放区域；相对于现有的载荷近距投放方法，降低了载荷到达投放区域的响应时间，提高了载荷携带装载物的投放部署速度。

(4)无需使载荷实现较大过载的转动机动，因此无需设置技术性指标较高的姿态调整装置，载荷中其它器件的受力性能指标也相应地降低。

(5)横向动力调转装置可使用任何带有转动和角位置测量功能的电机类装置即可实现载荷在垂直发射前的射向调整，相对于传统的燃气舵推力矢量方法使用的高制造成本的耐高温特殊材料装置，降低了垂直发射载荷实现射向调转的成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为背景技术中推力矢量法的载荷投放运动轨迹示意图；

图2为具体实施例的投放方法流程图；

图3为具体实施例的调转横向动力装置示意图；

图4为具体实施例的载荷投放运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图2-图4所示，公开了一种舰载垂直发射载荷的投放方法，用于载荷的近距离投放，舰载垂直发射载荷包括横向动力装置和横向动力调转装置，横向动力装置与横向动力调转装置连接，横向动力调转装置能够将横向动力装置的喷口朝向调转；投放方法步骤包括：

S1：横向动力调转装置使横向动力装置的喷口朝向调转。

横向动力装置为一反冲喷射装置，其喷口垂直于载荷的竖直延伸方向，也就是说，在载荷竖直设置的情况下，横向动力装置的喷口沿着水平方向设置。横向动力装置工作时，能够在水平方向向载荷施加推力。本实施例中，不限制横向动力装置的喷口数量和喷口位置，只要横向动力装置能够向载荷施加使载荷平动的推力即可。

在载荷投放过程中，载荷投放区域与横向动力装置的喷口朝向可能为任意位置关系，当载荷投放区域与喷口朝向在同一平面且与喷口朝向相反(即与横向动力装置的推力方向一致)时，无需调转喷口朝向即能够将载荷投放到投放区域，当载荷投放区域与喷口朝向处于其他任意位置关系时，需要在舰载垂直发射载荷离开垂直发射筒前，根据载荷投放区域位置，对横向动力装置的喷口朝向调转。

首先，需要确定横向动力装置的调转角和调转方向。当横向动力装置的推力方向绕载荷轴向的旋转角度θ_x小于或等于180°时，横向动力装置的调转角度θ_调转＝θ_x，调转方向为绕载荷轴向正向旋转；当θ_x大于180°时，横向动力装置调转角度θ_调转＝360°-θ_x，调转方向为绕载荷轴向反向旋转。

需要说明的是，旋转角度θ_x大小的判断符合右手定则，即大拇指朝向竖直向上方向，四指握向为横向动力装置旋转的方向，此条件下，当横向动力装置的推力方向旋转角度小于或等于180°时，横向动力装置的调转角度与旋转角度一致，调转方向与四指握向一致，当偏转角大于180°时，调转角等于360°减去偏转角，调转方向与四指握向相反。

其次，根据调转角度和调转方向，控制横向动力调转装置转动，使得横向动力装置实现调转。本实施例中，横向动力调转装置为任何能够实现横向动力装置转动的装置或组件，如电机。

本实施例中，在载荷离开垂直发射筒前对横向动力装置的喷口朝向进行调转，与载荷离开垂直发射筒后再进行射向调转相比，不占用载荷响应时间，缩短了垂直发射载荷调转射向所需时间，提高了垂直发射载荷的工作效能。同时，横向动力调转装置可使用任何带有转动和角位置测量功能的电机类装置即可实现载荷在垂直发射前的射向调整，相对于传统的燃气舵推力矢量方法使用的高制造成本的耐高温特殊材料装置，降低了垂直发射载荷实现射向调转的成本。

进一步地，为了避免横向动力装置在发射筒内意外点火，在步骤S1前执行步骤S0，步骤S0为对横向动力装置的点火控制，当载荷在垂直发射筒内时，过载继电器不吸合，横向动力装置无法进行点火；当载荷离开垂直发射筒后，载荷控制点火继电器吸合，横向动力装置可以成功点火。

步骤S0中对横向动力装置的点火控制采用空中安全点火系统，可以防止横向动力装置在发射筒内意外点火同时保证横向动力装置在空中的可靠点火。空中安全点火系统为并联点火系统，可提高空中点火可靠性。空中安全点火系统包括两条并联通路，两条并联通路中分别串联过载继电器和点火继电器，过载继电器在弹射过载时才吸和，保证横向动力装置在发射筒内不会发生意外点火现象。载荷根据装载的轴向加速度输出数值和相对发射零点的发射时间进行判断，当轴向加速度输出数值大于规定数值，同时发射时间到达装订的点火时序规定值时，载荷控制点火继电器吸合，横向动力装置即可成功点火。

S2：载荷离开垂直发射筒。

为了节省载荷投放过程中的时间，载荷可以采用冷发射的方式离开发射筒，也可以采用热发射的方式离开垂直发射筒，值得注意的是，无论载荷采用哪种方式离开垂直发射筒，均是垂直离开，即载荷在点火后竖直向上运动。

当采用冷发射方式发射时，垂直发射系统产生高温高压气体从底部填充至发射筒内，发射筒内开始增压使得压力作用在载荷的底部；当发射筒内压力产生的作用力大于载荷重力时，载荷在竖直方向逐渐加速，并以一定的速度离开垂直发射筒。

当采用热发射方式发射时，载荷下端(即载荷的尾端)的反冲发动机点火克服载荷的重力，使得载荷离开垂直发射筒。

考虑到实际应用中，载荷在离开垂直发射筒后获得足够的初始速度即可以保证载荷有足够的滞空时间，采用冷发射方式可以保证载荷获得前述足够的初始速度，并可以简化载荷的设计复杂度，因此本实施例具体应用中优选采用冷发射的方式发射载荷。

在载荷离开垂直发射筒后，还包括步骤：启动横向动力装置使载荷获得水平速度向投放区域移动。

在载荷离开垂直发射筒后，垂直发射筒不会在横向限制载荷。此时，启动横向动力装置，横向动力装置的喷口喷出射流，使得载荷获得横向推力，此横向推力使得载荷获得水平方向的加速度，因而载荷获得水平运动速度。可想到的是，载荷在重力和横向推力共同作用下，向投放区域(也就是远离舰艇的区域)移动。

横向动力装置启动而使得载荷横向运动过程中，横向推力装置使得载荷能够直接朝向近距投放区域移动，无需如现有技术中使载荷采用大过载快速机动的方法实现运动方向调转而投放至近地区域，因此施加在载荷上的横向加速度可以设置较小载荷无需设置技术性指标苛刻的姿态调整装置；因为载荷受到较小的横向加速度，而无需如现有技术承受较大的机动过载，所以载荷中其他器件的受力性指标也可以相对地降低。

本实施例中，横向推力装置直接使得出筒(离开垂直发射筒)后的载荷向近距投放区域移动，所以在保证载荷横向运动情况下，载荷可以快速到达近距投放区域；相对于现有的载荷近距投放过程，减小了载荷到达近距投放区域的响应时间，提高了载荷携带装载物的投放部署速度。

需要说明的是，载荷在发射阶段为竖直方向运动；而在横向动力装置启动后，载荷以竖直姿态进行类似抛物线轨迹运动。

以下对横向动力装置的具体性指标做介绍。假设确定的工作性能指标包括t_响应和L_近距。

假设横向动力装置稳定工作，采用公式

以及/>能够确定横向动力装置达成性能指标的最小推力为/>

其中，a_横向表示舰载垂直发射载荷的横向加速度，t_响应表示舰载垂直发射载荷实现近距运动轨迹要求的响应间，L_近距表示舰载垂直发射载荷要求实现的近距运动横向距离，F_横向(min)表示横向推力的最小推力值，m_载荷表示舰载垂直发射载荷的质量。

根据载荷可以承受的最大横向过载可以确定F_横向(max)＝n_限制×m_载荷×g，其中n_限制表示舰载垂直发射载荷可承受的最大法向过载值，g表示重力加速度值，则F_横向(min)≤F_{横向(设计)}≤F_横向(max)。

具体应用中，横向动力装置多为火箭发动机等高功质比(功质比是指功率质量比)的动力装置。而火箭发动机在高温时产生横向喷射的高温火焰，横向高温火焰可能对舰艇的上层建筑产生破坏性，因此实际应用中横向动力装置在反推点火时机受到载荷投放方向、舰艇上层建筑的限制。

如果载荷需要投放至垂直于舰艇龙骨的侧向，因为舰艇结构设计特性，在垂直于舰艇龙骨方向上并没有上层建筑，横向动力装置产生的火焰并不会对舰艇上层建筑产生影响，则此时横向动力装置可以在离开垂直发射筒后即启动。

如果载荷需要投放至舰艇的侧前方或侧后方区域，此情况下，为了避免舰艇上层建筑被横向动力装置点火时损毁，需要载荷在离开垂直发射筒并且上升至安全高度后，再启动横向推力装置。具体应用中，根据载荷部署的位置，安全高度可以是舰艇的桅杆高度、舰桥高度或者炉舱散热器的高度。

在载荷具有安全高度条件限制下，能够满足前文提及的工作性能要求指标，需要对载荷在离开发射筒的速度特性做分析。通过场景分析可知，载荷至少运动至安全高度h_安全处才能保证横向动力装置点火的安全性。则根据受力分析，为了使得载荷上升至安全高度，其从垂直发射筒上发射获得的要求速度为

另外实际应用中，为了使载荷在到达投放区域时能够处在与舰艇大体相近的水平高度，同时保证载荷在到达投放区域后竖直方向速度不会过大，还需要限定载荷在从垂直发射筒发射后能够达到的最大高度h_max，根据受力分析

因此，可以得到根据前述的v_出筒的限制条件，则可以确定垂直发射阶段作用在载荷上的推动力特性。

实际应用中，需要综合载荷在竖直方向的动力特性和水平方向受力移动特性，使载荷能够被投放至设定的投放区域。本实施例一个具体应用中，当载荷在水平方向的受力特性采用特定型号的横向动力装置，其受到的推力确定，因此可以采用S2.1-S2.3确定冷发射装置的工作特性。

S2.1：确定投放区域相对于舰艇的距离。

S2.2：根据距离和横向动力装置的推力确定载荷离开垂直发射筒的初始速度。

S2.2中，根据距离和横向动力装置的推力，可以确定载荷从横向动力装置启动到载荷运动至投放区域的时间t_响应；为了使载荷能够移动至投放区域，在t_响应内，载荷应当处于滞空状态。载荷离开垂直发射筒的初始速度越大其滞空时间越大，根据前述需要的滞空时间t_响应可以确定载荷离开垂直发射筒的最小初始速度，在大于最小初始速度的范围内，即可以选定一个合理的初始速度。

S2.3：根据初始速度和载荷的重量确定垂直发射筒内冷发射装置的工作特性。

以下就一种特殊约束下冷发射装置的工作特性做分析，特殊约束为横向动力装置在载荷上升到最高高度时启动，并且载荷到达投放区域时其水平高度与离开垂直发射筒时的高度一致，此时a_横向已经确定。

根据可以确定/>因为横向动力装置在载荷竖向速度为0时启动，则可以确定载荷到达投放区域时的速度与其出筒速度大小相同，方向相反，则/>根据v_出筒则可以确定垂直发射筒内冷发射装置的工作特性，使得载体在离开垂直发射筒时达到v_出筒。

值得注意的是，在S2.1-S2.3的执行过程中，还可能需要考虑安全高度h_安全，以及载荷可能在竖向速度并未降低至0时即启动横向动力装置，此时可以增加相应的约束条件而求得对应的v_出筒；另外实际应用中，还可以综合考虑各种约束条件确定横向动力装置的推力特性，载荷离开垂直发射筒的速度v_出筒，以使得载荷从发射开始，经过合理地最短时间达到投放区域。

S3：对载荷进行扰动补偿。

本实施例中的横向动力装置工作时使得载荷获得水平推力；但是实际应用中，载荷在竖直发射过程中，受到舰艇晃动、竖向推力不均等影响，其在离开垂直发射筒后可能出现倾斜的问题，此时如果横向动力装置仍然向载荷施加水平推力，则水平推力可能作用在载荷上而形成转动力矩，使得载荷发生不可控转动。另外，在载荷发射后在各种扰动的影响下，载荷也可能发生转动。载荷发生转动可能会偏离投放轨迹，无法实现载荷在投放区域的投放，因此需要在载荷横向运动过程中进行扰动补偿。

本实施例中，载荷还包括加速度测量装置；实际应用中，加速度测量装置可以为陀螺仪，也可以为MEMS工艺加工的三坐标加速度计。对载荷进行扰动补偿的步骤包括：

S3.1：获取载荷绕载荷轴向旋转的角速度。

根据加速度测量装置测量载荷的转动角速度，如通过载荷轴向设置的陀螺仪获得角速度。

S3.2：横向动力装置绕偏转轴偏转进行扰动补偿。

根据转动惯量调整横向动力装置的喷射角度，以避免载荷转动。

横向动力装置偏转轴距离载荷中心的距离为L，载荷绕轴向转动惯量为I_xx，载荷绕载荷轴向旋转的角速度为则横向动力装置绕偏转轴转动角度为：

横向动力装置通过绕偏转轴转动产生相反的旋转力矩以补偿扰动产生的旋转力矩。在载荷离开发射筒后进行扰动补偿，使载荷离开垂直发射筒后仍以处于垂直发射筒内的姿态进行移动，即横向动力装置的喷口始终处于同一水平方向，避免垂直发射载荷运动轨迹的散布，缩短了载荷运行时间。

S4：载荷移动至目标区域。

载荷在离开垂直发射筒并不再向其施加上升推力的情况下，载荷的滞空时间确定；在确定横向动力装置相对于载荷离开垂直发射筒后的启动时机，并且横向动力装置的推力特性已知的情况下，则可以确定出载荷最终投放区域。

反向考虑，在载荷的近距投放区域指标已定的情况下，则可以根据已定指标设计载荷在垂直发射筒中受到的推力特性和横向动力装置的推力特性，使得载荷能够投放至近距投放区域。

在本实施例具体应用中，由于受到实际战场环境、冷发射装置工作特性影响，载荷采用前文计算得到的控制量发射后，其v_出筒并没有达到理论计算值，在此情况下载荷可能无法移动至预设的投放区域。为了解决此问题，本实施例中的载荷底部还设置一竖向推力装置。在启动横向推力装置载荷获得水平方向速度而向投放区域移动的步骤中，可以执行步骤S4.1-S4.4，以保证载荷最终能够到达投放区域。

S4.1：确定载荷的当前高度。

本实施例，载荷中可以设置高度计，用于测量载荷的海拔高度，并根据海拔高度确定载荷相对于水面的当前高度，或者采用舰艇光学监控的方式，根据光学信号计算确定载荷的当前高度。

S4.2：根据当前高度、投放区域距离当前位置的水平距离、载荷的横向速度状态、横向动力装置施加在载荷上的横向推力确定载荷是否可飞行至投放区域。

在S4.2中根据当前高度、投放区域距离当前位置的水平距离、载荷的横向速度状态和横向动力装置施加在载荷上的横向推力，对载荷的运行轨迹做推算，以确定载荷是否可以飞行至投放区域。在执行这一过程中，横向动力装置需要正常工作。如果载荷无法飞行至投放区域距离，则可以确定载荷高度过低，未来载荷的滞空时间不能满足需求。

若S4.2确定载荷无法飞行至投放区域，执行步骤S4.3；若S4.2确定载荷能够飞行至投放区域，执行步骤S4.4。

S4.3：控制竖向推力装置向载荷施加竖向推力。

控制竖向推力装置向载荷施加的竖向推力大小需要根据当前高度、投放区域距离当前位置的水平距离、载荷的横向速度状态和横向动力装置施加在载荷上的横向推力确定。

在竖向推力装置施加竖向推力的情况下，竖向推力可以克服至少部分载荷受到的重力作用，继而减小载荷在竖向方向的加速度，继而提高载荷滞空时间；而通过提高载荷的滞空时间，则可以保证载荷在横向方向移动更大的距离，尽可能达到预设的投放区域。

实际应用中，竖向推力装置可以为各种类型的反冲推力装置；考虑实际结构设计的简便性，竖直推力装置优选为高压压缩气源等类似的推力装置。

S4.4：投放载荷中的装载物。

当载荷到达投放区域时，投放载荷中的装载物。本实施例中，载荷的壳体上设置有投放装置，或者载荷壳体上设置有分离装置；当载荷到达投放区域后，投放装置或者分离装置启动，使得载荷中的装载物被投放至投放区域内的空域或者水面上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种舰载垂直发射载荷的投放方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1：在垂直发射筒内，调转载荷的横向动力装置的喷口朝向；所述步骤1中，在横向动力装置的喷口朝向调转前确定调转角和调转方向；当横向动力装置的推力方向绕载荷轴向的旋转角度θ_x≤180°时，横向动力装置的调转角度θ_调转＝θ_x，调转方向为绕载荷轴向正向旋转；当θ_x＞180°时，横向动力装置调转角度θ_调转＝360°-θ_x，调转方向为绕载荷轴向反向旋转；

步骤2：载荷离开垂直发射筒，并以竖直姿态进行抛物线轨迹运动；

步骤3：对载荷进行扰动补偿；

所述步骤3中，载荷扰动补偿步骤包括：

步骤3.1：获取载荷绕载荷轴向旋转的角速度；所述步骤3.1中，所述角速度通过载荷轴向设置的陀螺仪获得；

步骤3.2：横向动力装置绕载荷偏转轴偏转进行扰动补偿；所述步骤3.2中，横向动力装置的偏转角度满足：

其中，为载荷绕载荷轴向旋转的角速度，L为横向动力装置的偏转轴距离载荷中心点的距离，I_xx为载荷绕轴向的转动惯量，F_横向为横向动力装置的推力；

步骤4：载荷移动至投放区域；

S4.1：确定载荷的当前高度；

S4.2：根据当前高度、投放区域距离当前位置的水平距离、载荷的横向速度状态、横向动力装置施加在载荷上的横向推力确定载荷是否可飞行至投放区域；若载荷无法飞行至投放区域，执行步骤S4.3；若载荷能够飞行至投放区域，执行步骤S4.4；

S4.3：控制竖向推力装置向载荷施加竖向推力；

S4.4：当载荷移动至投放区域时，投放载荷中的装载物。

2.根据权利要求1所述的舰载垂直发射载荷的投放方法，其特征在于，所述步骤2中，载荷以冷发射方式离开垂直发射筒。

3.根据权利要求1所述的舰载垂直发射载荷的投放方法，其特征在于，所述步骤2中，载荷以热发射方式离开垂直发射筒。