CN114200949A - 一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法 - Google Patents

一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法 Download PDF

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康永来
朱正辉
朱宏亮
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
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Abstract

本发明涉及一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法，三个发动机沿周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和另两个发动机与火箭中心的连线之间的夹角均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线。本发明采用三发动机并联的布局，并仅靠三发动机的摆动实现俯仰、偏航、滚转的三通道姿态控制，简化了火箭的控制模型，使得控制计算更加简单。相比于四个发动机的布局，结构、控制更简单。本发明通过三个发动机与中心点连线之间不同夹角的布局，能够获得三发动机布局下最大的控制力矩，更有利于飞行姿态控制。

Description

一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法
技术领域
本发明飞行器设计技术领域，尤其涉及一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法。
背景技术
液体火箭发动机摆动实现姿态控制时，传统方式一般采取对称布局的方式，其中以单发动机、双发动机、四发动机并联最多。火箭控制系统设计和实现较为复杂，希望俯仰和偏航通道特性一致，因此并没有采用三发动机的布局。
目前尚无三发动机并联摇摆实现火箭姿态控制的工程实现。
发明内容
为了实现三发动机的布局和控制，本发明提供一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法，采用三发动机并联的布局，并仅靠三发动机的摆动实现俯仰、偏航、滚转的三通道姿态控制，将之成功运用到某商业液体运载火箭中。
为达到上述目的，本发明提供了一种液体火箭三发动机摆动布局方法，包括：
三个发动机沿火箭周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和第二、第三发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线。
进一步地，三个发动机的结构相同，提供的推力大小相同。
进一步地，三个发动机独立控制。
本发明另一方面提供一种液体火箭三发动机控制方法，包括：
三个发动机沿火箭周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和第二、第三两个发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线；
根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角
Figure BDA0002689559510000026
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ；
根据俯仰摆角
Figure BDA0002689559510000027
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ计算所需的三个发动机摆角δ1、δ2、δ3；
根据三个发动机摆角δ1、δ2、δ3控制对应的发动机。
进一步地，三个发动机摆角δ1、δ2、δ3采用如下公式确定：
Figure BDA0002689559510000021
Figure BDA0002689559510000022
Figure BDA0002689559510000023
进一步地，三个发动机的结构相同，提供的推力大小相同。
进一步地，三个发动机独立控制。
进一步地，根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角
Figure BDA0002689559510000025
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ包括：
Figure BDA0002689559510000024
MxC、MyC、MzC分别为绕箭体x、y、z轴的控制力矩，P为三台发动机总推力，zr为滚转控制力臂，Lr为俯仰、偏航控制力臂。
进一步地，从火箭后方向前看顺时针方向的摆动方向为正。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明采用三发动机并联的布局，并仅靠三发动机的摆动实现俯仰、偏航、滚转的三通道姿态控制，简化了火箭的控制模型，使得控制计算更加简单。
(2)本发明相比于四个发动机的布局，结构更加简单，控制也更简单。
(3)本发明通过切向摆动的控制，能够获得更大的力和力矩，更有利于飞行控制。
(4)本发明通过三个发动机与中心点连线之间不同夹角的布局，能够获得三发动机布局下最大的控制力和力矩，更有利于飞行姿态控制。
附图说明
图1是三发动机布局示意图；
图2是控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提出一种三发动机摆动布局方法，三发动机摆动布局如图1所示：
其中第一、第二、第三发动机摆动方向为切向，与发动机和火箭中心的连线垂直方向摆动，组合实现火箭的俯仰、偏航和滚动控制。第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和另两个发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°。
三个发动机的结构相同，提供的推力大小相同。三个发动机独立控制。
定义从火箭后方向前看，图1示箭头方向为正，即顺时针摆为正，也可有其他定义，则控制方法的公式中正负号会有变化。
其控制可表述为三通道摆角与三个发动机摆角的转换公式：
Figure BDA0002689559510000048
δψ＝-δ1+0.4226δ2+0.4226δ3
δγ＝δ1+0.9962δ2+0.9962δ3
进一步推导获得：
Figure BDA0002689559510000041
Figure BDA0002689559510000042
Figure BDA0002689559510000043
其中，
Figure BDA0002689559510000047
为俯仰摆角，δψ为偏航摆角，δγ为滚转摆角，δ1为第一发动机摆角，δ2为第二发动机摆角，δ3为第三发动机摆角。
发动机对全箭的控制力矩为：
Figure BDA0002689559510000044
其中，MxC、MyC、MzC分别为绕箭体x、y、z轴的控制力矩，P为三台发动机总推力，zr为滚转控制力臂，Lr为俯仰、偏航控制力臂。
基于上述分析，可以看出，3个发动机摆角分配存在唯一解，因此控制计算更加便捷。
本发明另一方面提供一种液体火箭三发动机控制方法，结合图2，包括如下步骤：
飞控计算机根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角
Figure BDA0002689559510000045
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ；
根据俯仰摆角
Figure BDA0002689559510000046
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ计算所需的三个发动机摆角δ1、δ2、δ3；
根据三个发动机摆角δ1、δ2、δ3控制三个发动机，包括：
Figure BDA0002689559510000051
综上所述，本发明涉及一种液体火箭三发动机摆动布局方法及控制方法，三个发动机沿周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一中心与火箭中心的连线和另两个发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线；根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角，偏航摆角和滚转摆角；根据俯仰摆角，偏航摆角和滚转摆角计算所需的三个发动机摆角；根据三个发动机摆角控制三个发动机。本发明采用三发动机并联的布局，并仅靠三发动机的摆动实现俯仰、偏航、滚转的三通道姿态控制，简化了火箭的控制模型，使得控制计算更加简单。本发明相比于四个发动机的布局，结构更加简单，控制也更简单。本发明通过切向摆动的控制，能够获得更大的控制力矩，更有利于飞行控制。本发明通过三个发动机与中心点连线之间不同夹角的布局，能够获得三发动机布局下最大的控制力和力矩，更有利于飞行姿态控制。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种液体火箭三发动机摆动布局方法，其特征在于，包括：
三个发动机沿火箭周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和第二、第三发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线。
2.根据权利要求1所述的液体火箭三发动机摆动布局方法，其特征在于，三个发动机的结构相同，提供的推力大小相同。
3.根据权利要求1或2所述的液体火箭三发动机摆动布局方法，其特征在于，三个发动机独立控制。
4.一种液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，包括：
三个发动机沿火箭周向布设，第二、第三发动机中心与火箭中心的连线之间的夹角θ2为130°，第一发动机中心与火箭中心的连线和第二、第三两个发动机与火箭中心的连线之间的夹角θ1、θ3均为110°；每个发动机的摆动方向垂直于该发动机与火箭中心的连线；
根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角
Figure RE-FDA0002717090610000011
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ；
根据俯仰摆角
Figure RE-FDA0002717090610000012
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ计算所需的三个发动机摆角δ1、δ2、δ3；
根据三个发动机摆角δ1、δ2、δ3控制对应的发动机。
5.根据权利要求4所述的液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，三个发动机摆角δ1、δ2、δ3采用如下公式确定：
Figure RE-FDA0002717090610000013
Figure RE-FDA0002717090610000014
Figure RE-FDA0002717090610000015
。
6.根据权利要求5所述的液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，三个发动机的结构相同，提供的推力大小相同。
7.根据权利要求6所述的液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，三个发动机独立控制。
8.根据权利要求7所述的液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，根据全箭所需控制力矩计算对应的俯仰摆角
Figure RE-FDA0002717090610000021
偏航摆角δψ和滚转摆角δγ包括：
Figure RE-FDA0002717090610000022
MxC、MyC、MzC分别为绕箭体x、y、z轴的控制力矩，P为三台发动机总推力，zr为滚转控制力臂，Lr为俯仰、偏航控制力臂。
9.根据权利要求4或5所述的液体火箭三发动机控制方法，其特征在于，从火箭后方向前看顺时针方向的摆动方向为正。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116495198A (zh) * 2023-04-19 2023-07-28 东方空间技术(山东)有限公司 一种火箭的摆动控制方法及火箭
CN116552819A (zh) * 2023-04-19 2023-08-08 彭昆雅 一种火箭的摆动控制方法及火箭

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130340407A1 (en) * 2011-02-15 2013-12-26 Firestar Engineering, Llc Clustered, fixed cant, throttleable rocket assembly
CN105711832A (zh) * 2016-04-19 2016-06-29 北京航空航天大学 一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器
CN106864755A (zh) * 2015-12-11 2017-06-20 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 一种既可水平起降又可垂直起降的飞行器布局
CN109606738A (zh) * 2019-01-14 2019-04-12 北京星际荣耀空间科技有限公司 一种可重复使用运载火箭芯一级箭体回收动力系统
CN110794863A (zh) * 2019-11-20 2020-02-14 中山大学 一种控制性能指标可定制的重型运载火箭姿态控制方法
US20200088060A1 (en) * 2018-09-17 2020-03-19 Donald Gene Taylor Rotary detonation rocket engine generator
CN111516909A (zh) * 2020-04-30 2020-08-11 北京星际荣耀空间科技有限公司 一种火箭姿态控制系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130340407A1 (en) * 2011-02-15 2013-12-26 Firestar Engineering, Llc Clustered, fixed cant, throttleable rocket assembly
CN106864755A (zh) * 2015-12-11 2017-06-20 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 一种既可水平起降又可垂直起降的飞行器布局
CN105711832A (zh) * 2016-04-19 2016-06-29 北京航空航天大学 一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器
US20200088060A1 (en) * 2018-09-17 2020-03-19 Donald Gene Taylor Rotary detonation rocket engine generator
CN109606738A (zh) * 2019-01-14 2019-04-12 北京星际荣耀空间科技有限公司 一种可重复使用运载火箭芯一级箭体回收动力系统
CN110794863A (zh) * 2019-11-20 2020-02-14 中山大学 一种控制性能指标可定制的重型运载火箭姿态控制方法
CN111516909A (zh) * 2020-04-30 2020-08-11 北京星际荣耀空间科技有限公司 一种火箭姿态控制系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116495198A (zh) * 2023-04-19 2023-07-28 东方空间技术(山东)有限公司 一种火箭的摆动控制方法及火箭
CN116552819A (zh) * 2023-04-19 2023-08-08 彭昆雅 一种火箭的摆动控制方法及火箭
CN116552819B (zh) * 2023-04-19 2024-01-26 彭昆雅 一种火箭的摆动控制方法及火箭
CN116495198B (zh) * 2023-04-19 2024-02-13 东方空间技术(山东)有限公司 一种火箭的摆动控制方法及火箭

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