RU2541576C1 - Method of control over program turn of accelerating unit - Google Patents

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention can be used for control over program turn of accelerating unit with the help of fixed constant-thrust engines of orientation. Angular velocity is increased at acceleration and inertial flight and decreased to zero at deceleration and pulsed initiation of orientation engines. Level of fuel component in the tank that brings about the most tangible effect on turn dynamics is measured Angle mismatch and acceleration unit angular velocities are intermittently measured at turn as well as deflection of said fuel level from acceleration unit lengthwise axis Orientation engine are shut down at the ends of acceleration path and switched on at deceleration start path.

EFFECT: acceleration unit turn with damping of fuel components oscillations at ramming engine operation path section.

6 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к способам управления движением разгонных блоков (РБ), обеспечивающих довыведение космических аппаратов (КА) с опорной орбиты на целевую (как правило, геостационарную) орбиту, осуществление межорбитальных переходов и других операций с КА.The invention relates to rocket and space technology, and in particular to methods for controlling the movement of upper stages (RB), providing extra spacecraft (SC) from the reference orbit to the target (usually geostationary) orbit, the implementation of interorbital transitions and other operations with the spacecraft.

В космической технике известен выбранный в качестве прототипа способ управления программным разворотом разгонного блока с помощью неподвижных двигателей ориентации постоянной тяги, заключающийся в выполнении набора угловой скорости - разгоне, движении по инерции, уменьшении угловой скорости до нуля - торможении и импульсном включении двигателей ориентации при уменьшении угловой скорости ниже заданного уровня (см. [1]).In space technology, a method of controlling a software rotation of an accelerating block using stationary engines of constant thrust orientation is selected, which consists in performing a set of angular velocity — acceleration, inertial motion, reducing angular velocity to zero — braking and switching on orientation engines with decreasing angular speeds below the set level (see [1]).

Известный способ управления программным разворотом позволяет осуществить плоский программный разворот РБ на заданный угол за заданное время с минимально возможным расходом топлива двигателями ориентации. При этом программный разворот, как правило, совершается на пассивном участке траектории выведения, когда компоненты топлива в баках РБ находятся в состоянии невесомости и не оказывают существенного влияния на динамику разворота. Однако известный способ управления не обеспечивает желаемого качества управления на активных участках, когда включены двигатели поджатия, создающие тягу в направлении продольной оси РБ. Циклограмма функционирования РБ предполагает многократное включение двигателей поджатия для осаждения компонентов топлива к днищам баков для проведения дренирования баков и запуска маршевых двигателей. При этом часто возникает необходимость осуществления программного разворота РБ на участке полета с работающими двигателями поджатия. В этом случае большие массы компонентов топлива оказываются поджатыми к нижним днищам топливных баков и во время выполнения программного разворота совершают поперечные колебания, оказывая на боковые стенки баков значительные силовые воздействия. Обычно баки располагаются в хвостовой части РБ, при этом центр масс РБ смещен к носовой части, в которой находится выводимый на орбиту достаточно массивный КА. Поэтому поперечные колебания компонентов топлива создают существенные возмущающие моменты, величины которых сравнимы с величиной управляющего момента, создаваемого двигателями ориентации. В результате процесс разворота при использовании известного способа управления сопровождается значительным «забросом» по углу (перерегулированием) и повышенной колебательностью, приводящими к увеличению расхода топлива двигателями ориентации.The known method of controlling a program turn allows for a flat program turn of the RB at a given angle in a given time with the lowest possible fuel consumption by orientation engines. In this case, a program turn, as a rule, takes place on a passive section of the withdrawal path, when the fuel components in the tanks of the Republic of Belarus are in zero gravity and do not significantly affect the dynamics of the turn. However, the known control method does not provide the desired control quality in active areas when the compression motors are included, creating traction in the direction of the longitudinal axis of the RB. The operation cycle of the RB implies the multiple switching on of the compression engines for deposition of fuel components to the bottoms of the tanks for the drainage of the tanks and the launch of the main engines. This often necessitates the implementation of a programmatic turn of the RB at the flight site with working preload engines. In this case, large masses of the fuel components turn out to be pressed to the lower bottoms of the fuel tanks and during the program turn perform transverse vibrations, exerting significant force effects on the side walls of the tanks. Typically, the tanks are located in the tail of the RB, while the center of mass of the RB is shifted to the bow, in which there is a sufficiently massive spacecraft that is put into orbit. Therefore, the transverse vibrations of the fuel components create significant disturbing moments, the values of which are comparable with the magnitude of the control moment created by the orientation engines. As a result, the reversal process when using the known control method is accompanied by a significant "throw" in angle (overshoot) and increased oscillation, leading to an increase in fuel consumption by orientation engines.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа управления программным разворотом разгонного блока, обеспечивающего на участке работы двигателей поджатия выполнение разворота РБ на заданный угол без перерегулирования с одновременным гашением колебаний компонента топлива, оказывающего наибольшее влияние на динамику программного разворота. Например, для существующих в настоящее время и разрабатываемых криогенных разгонных блоков таким компонентом топлива является окислитель (жидкий кислород), масса которого в несколько раз превосходит массу горючего, при этом из-за особенностей конструктивного расположения бака окислителя создается большое плечо гидродинамической силы относительно центра масс РБ.The objective of the invention is to develop a method for controlling a software U-turn of a booster block, which ensures that the RB turns to a predetermined angle at the site of operation of the preload engines without overshooting while damping the vibrations of the fuel component, which has the greatest influence on the dynamics of the software U-turn. For example, for the currently existing and under development cryogenic booster blocks, such a fuel component is an oxidizer (liquid oxygen), the mass of which is several times greater than the fuel mass, and due to the structural design of the oxidizer tank, a large arm of hydrodynamic force is created relative to the center of mass of the Republic of Belarus .

Техническим результатом предлагаемого изобретения является оптимизация циклограммы функционирования РБ за счет расширения возможностей системы управления в части совмещения различных полетных операций.The technical result of the invention is the optimization of the cyclogram of the functioning of the Republic of Belarus due to the expansion of the capabilities of the control system in terms of combining various flight operations.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления программным разворотом разгонного блока с помощью неподвижных двигателей ориентации постоянной тяги, заключающемся в выполнении набора угловой скорости - разгоне, движении по инерции, уменьшении угловой скорости до нуля - торможении и импульсном включении двигателей ориентации при уменьшении угловой скорости ниже заданного уровня, в соответствии с изобретением в случае осуществления программного разворота, совмещенного по времени с работой двигателей поджатия, перед разворотом измеряют уровень h наиболее влияющего на динамику разворота компонента топлива в баке, а в процессе разворота периодически измеряют рассогласование по углу Δϑ и угловую скорость $$\dot{\vartheta }$$

разворота разгонного блока, угол s_ϑ и угловую скорость $${\dot{s}}_{\vartheta }$$

отклонения поверхности указанного компонента топлива в баке от продольной оси разгонного блока, при этом выключение двигателей ориентации в конце участка разгона осуществляют при достижении параметром x значения f₁(x'), включение двигателей ориентации в начале участка торможения осуществляют при достижении параметром x значения f₂(x'), где $$f_1\left(x\text{'}\right)=-4\pi x\text{'}+\frac{x\text{'}\left|x\text{'}\right|}{2}$$

; $$f_2\left(x\text{'}\right)=-\frac{x\text{'}\left|x\text{'}\right|}{2}$$

- функции переключения, а параметры x и x' задают в виде линейных функций измеренных углов и угловых скоростей x=k(k₁Δϑ+k₂s_ϑ), $$x\text{'}=k_1\dot{\vartheta }+k_2{\dot{s}}_{\vartheta }$$

с коэффициентами k, k₁, k₂, определяемыми по заранее рассчитанным зависимостям от уровня h компонента топлива в баке.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of controlling the program turn of the accelerating unit using stationary engines of constant thrust orientation, which consists in performing a set of angular speed - acceleration, inertial motion, reducing the angular velocity to zero - braking and switching on the orientation engines with decreasing angular speeds below a predetermined level, in accordance with the invention in the case of the implementation of a software turn, combined in time with the operation of the preload engines , Before reversing measured level h most affecting the dynamics of turning the fuel component in the tank, and in turn periodically measured misalignment over the angle and angular speed Δθ $$\dot{\vartheta }$$

U-turn of the upper stage, angle s _ϑ and angular velocity $${\dot{s}}_{\vartheta }$$

deviations of the surface of the specified fuel component in the tank from the longitudinal axis of the upper stage, the orientation engines at the end of the acceleration section are turned off when x reaches f ₁ (x '), the orientation engines are turned on at the beginning of the braking section when x reaches f ₂ (x ') where $$f_{\mathrm{one}}\left(x\text{'}\text{'}\right)=-\mathrm{four}\pi x\text{'}\text{'}+\frac{x\text{'}\text{'}\left|x\text{'}\text{'}\right|}{2}$$

; $$f_2\left(x\text{'}\text{'}\right)=-\frac{x\text{'}\text{'}\left|x\text{'}\text{'}\right|}{2}$$

are the switching functions, and the parameters x and x 'are defined as linear functions of the measured angles and angular velocities x = k (k ₁ Δϑ + k ₂ s _ϑ ), $$x\text{'}\text{'}=k_{\mathrm{one}}\dot{\vartheta }+k_2{\dot{s}}_{\vartheta }$$

with coefficients k, k ₁ , k ₂ determined by pre-calculated dependences on the level h of the fuel component in the tank.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется фиг.1-4.The essence of the invention is illustrated in figures 1-4.

Фиг.1 - Схема разгонного блока при осуществлении программного разворота.Figure 1 - Diagram of the upper stage during the implementation of the software turn.

Фиг.2 - Программа управления разворотом в функции безразмерного времени τ.Figure 2 - U-turn control program as a function of dimensionless time τ.

Фиг.3 - Линии переключения управления в фазовой плоскости безразмерной переменной x и ее производной x' по безразмерному времени τ.Figure 3 - Control switching lines in the phase plane of the dimensionless variable x and its derivative x 'with respect to the dimensionless time τ.

Фиг.4 - Типовые переходные процессы при реализации программного разворота в соответствии с предлагаемым способом управления.Figure 4 - Typical transients during the implementation of a software reversal in accordance with the proposed control method.

Для управления программным разворотом, совмещенным по времени с работой двигателей поджатия, в математической модели объекта управления необходимо учесть колебания жидких компонентов топлива. В качестве примера рассмотрим математическую модель плоского разворота РБ по тангажу с использованием маятниковой модели, описывающей колебания окислителя в баке. Уравнения пространственного движения РБ как твердого тела с n математическими маятниками выведены в работе [2]. В рассматриваемом случае плоского разворота с одним маятником эти уравнения имеют вид (в предположении малости угла отклонения маятника от положения равновесия)To control a software turn, combined in time with the operation of preload engines, in the mathematical model of the control object, it is necessary to take into account the vibrations of the liquid components of the fuel. As an example, we consider a mathematical model of a RB flat pitch in pitch using a pendulum model that describes the oscillations of the oxidizing agent in the tank. The equations of spatial motion of a RB as a solid with n mathematical pendulums were derived in [2]. In the case of a flat pivot with one pendulum under consideration, these equations have the form (assuming that the angle of deviation of the pendulum from the equilibrium position is small)

$$\ddot{\vartheta }+a_1{s}_{\vartheta }={\mu }_{1}u\left(1\right)$$

$$\ddot{\vartheta }+a_{\mathrm{one}}{s}_{\vartheta }={\mu }_{\mathrm{one}}u\left(\mathrm{one}\right)$$

$${\ddot{s}}_{\vartheta }+a_2{s}_{\vartheta }={\mu }_{2}u,\left(2\right)$$

$${\ddot{s}}_{\vartheta }+a_2{s}_{\vartheta }={\mu }_{2}u,\left(2\right)$$

гдеWhere

ϑ - угол тангажа РБ;ϑ - pitch angle RB;

s_ϑ - угол отклонения маятника от продольной оси РБ, равный углу отклонения нормали к поверхности окислителя от продольной оси бака;s _ϑ is the angle of deviation of the pendulum from the longitudinal axis of the RB equal to the angle of deviation of the normal to the surface of the oxidizer from the longitudinal axis of the tank;

u - команда на включение управляющих двигателей РБ, принимающая значения - 1, 0, 1;u - command to turn on the control engines of the Republic of Belarus, taking values - 1, 0, 1;

$$a_1=-\frac{m{P}_{0}d}{\left(m_0+m\right)I_Z};{\mu }_1=\frac{P\left(x_T-x_D\right)}{I_Z};\left(3\right)$$

$$a_{\mathrm{one}}=-\frac{m{P}_{0}d}{\left({\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="m"\; filenames="00000042.png,00000043.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_0+m\right)I_Z};{\mu }_{\mathrm{one}}=\frac{P\left(x_T-x_D\right)}{I_Z};\left(3\right)$$

$$a_2=\frac{P_0}{l}(\frac{1}{m_0}+\frac{md(d+l)}{(m_0+m)I_Z});{\mu }_2=-\frac{P}{l}(\frac{1}{m_0}+\frac{(x_T-x_D)(d+l)}{I_Z}).\left(4\right)$$

$$a_2=\frac{P_0}{l}(\frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="m"\; filenames="00000042.png,00000043.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_0}+\frac{md(d+l)}{({\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="m"\; filenames="00000042.png,00000043.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_0+m)I_Z});{\mu }_2=-\frac{P}{l}(\frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="m"\; filenames="00000042.png,00000043.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_0}+\frac{(x_T-x_D)(d+l)}{I_Z}).\left(\mathrm{four}\right)$$

Здесь (см. фиг.1)Here (see figure 1)

m₀ - масса РБ без учета массы колеблющегося окислителя (масса твердого тела);m ₀ - mass of RB without taking into account the mass of the oscillating oxidizing agent (mass of a solid body);

I_Z - момент инерции твердого тела;I _Z is the moment of inertia of the solid;

m - масса материальной точки математического маятника, равная массе колеблющегося окислителя;m is the mass of the material point of the mathematical pendulum, equal to the mass of the oscillating oxidizer;

P₀ - тяга двигателей поджатия, направленная вдоль продольной оси РБ;P ₀ - thrust of the compression motors directed along the longitudinal axis of the RB;

P - тяга одного двигателя ориентации, перпендикулярная продольной оси РБ;P is the thrust of one orientation motor perpendicular to the longitudinal axis of the RB;

d - расстояние от точки подвеса маятника до центра масс твердого тела;d is the distance from the pendulum suspension point to the center of mass of the solid;

l - длина нити математического маятника;l is the length of the thread of the mathematical pendulum;

x_T - продольная координата центра масс твердого тела в базовой системе координат;x _T is the longitudinal coordinate of the center of mass of the solid in the base coordinate system;

x_D - продольная координата точек приложения сил тяги управляющих двигателей в базовой системе координат.x _D is the longitudinal coordinate of the points of application of the thrust forces of the control engines in the base coordinate system.

Система уравнений (1)-(2) имеет следующие начальные и конечные условияThe system of equations (1) - (2) has the following initial and final conditions

$$\begin{array}{cccc}\vartheta \left(0\right)={\vartheta }_0;& \dot{\vartheta }\left(0\right)=0;& s_{\vartheta }\left(0\right)=0;& {\dot{s}}_{\vartheta }\left(0\right)=0\left(5\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}\vartheta \left(0\right)={\vartheta }_0;& \dot{\vartheta }\left(0\right)=0;& s_{\vartheta }\left(0\right)=0;& {\dot{s}}_{\vartheta }\left(0\right)=0\left(5\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}\vartheta \left(t_K\right)={\vartheta }_K;& \dot{\vartheta }\left(t_K\right)=0;& s_{\vartheta }\left(t_K\right)=0;& {\dot{s}}_{\vartheta }\left(t_K\right)=0,\left(6\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}\vartheta \left(t_K\right)={\vartheta }_K;& \dot{\vartheta }\left(t_K\right)=0;& s_{\vartheta }\left(t_K\right)=0;& {\dot{s}}_{\vartheta }\left(t_K\right)=0,\left(6\right)\end{array}$$

где ϑ₀, ϑ_K - соответственно заданные начальное и конечное значения угла тангажа;where ϑ ₀ , ϑ _K are the given initial and final values of the pitch angle, respectively;

t_K - время окончания разворота.t _K - end time of the U-turn.

Перейдем к безразмерным переменнымLet's move on to dimensionless variables

$$\tau =kt;\left(7\right)$$

$$\tau =kt;\left(7\right)$$

$$x=k\left(k_1\Delta \vartheta +k_2{s}_{\vartheta }\right);\left(8\right)$$

$$x=k\left(k_{\mathrm{one}}\Delta \vartheta +k_2{s}_{\vartheta }\right);\left(8\right)$$

$$x\text{'}=k_1\dot{\vartheta }+k_2{\dot{s}}_{\vartheta };\left(9\right)$$

$$x\text{'}\text{'}=k_{\mathrm{one}}\dot{\vartheta }+k_2{\dot{s}}_{\vartheta };\left(9\right)$$

$$\Delta \vartheta =\vartheta -{\vartheta }_K;\left(10\right)$$

$$\Delta \vartheta =\vartheta -{\vartheta }_K;\left(10\right)$$

$$y=\frac{a_2{s}_{\vartheta }}{{\mu }_2};\left(11\right)$$

$$y=\frac{a_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="s\; \theta \; \mu "\; filenames="00000044.png,00000045.png"\; state="\{\{state\}\}">s\; </figure-callout>}}_{\vartheta }}{{\mu }_{}};\left(\mathrm{eleven}\right)$$

$$y\text{'}=\frac{\sqrt{a_2}{\dot{s}}_{\vartheta }}{{\mu }_2},\left(12\right)$$

$$y\text{'}\text{'}=\frac{\sqrt{a_2}{\dot{s}}_{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\theta \; \mu "\; filenames="00000044.png,00000045.png"\; state="\{\{state\}\}">\vartheta \; </figure-callout>}}}{{\mu }_{}},\left(12\right)$$

где $$k=\sqrt{a_2};k_1=\frac{a_2\sqrt{a_2}}{{\mu }_1{a}_2-{\mu }_2{a}_1};k_2=-\frac{a_1\sqrt{a_2}}{{\mu }_1{a}_2-{\mu }_2{a}_1}.\left(13\right)$$

Where $$k=\sqrt{a_2};k_{\mathrm{one}}=\frac{a_2\sqrt{a_2}}{{\mu }_{\mathrm{one}}{a}_2-{\mu }_2{a}_{\mathrm{one}}};{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="k"\; filenames="00000044.png,00000045.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}_2=-\frac{a_{\mathrm{one}}\sqrt{a_2}}{{\mu }_{\mathrm{one}}{a}_2-{\mu }_2{a}_{\mathrm{one}}}.\left(13\right)$$

Систему уравнений (1)-(2) и граничные условия (5)-(6) можно представить в видеThe system of equations (1) - (2) and the boundary conditions (5) - (6) can be represented as

$$x"=u;y"+y=u\left(14\right)$$

$$x"=u;y"+y=u\left(\mathrm{fourteen}\right)$$

$$\begin{array}{cccc}x\left(0\right)=x_0;& x\text{'}\left(0\right)=0;& y\left(0\right)=0;& y\text{'}\left(0\right)=0\left(15\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}x\left(0\right)=x_0;& x\text{'}\text{'}\left(0\right)=0;& y\left(0\right)=0;& y\text{'}\text{'}\left(0\right)=0\left(\mathrm{fifteen}\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}x\left(2T\right)=0;& x\text{'}\left(2T\right)=0;& y\left(2T\right)=0;& y\text{'}\left(2T\right)=0,\left(16\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{cccc}x\left(2T\right)=0;& x\text{'}\text{'}\left(2T\right)=0;& y\left(2T\right)=0;& y\text{'}\text{'}\left(2T\right)=0,\left(16\right)\end{array}$$

где символы ' и “ означают соответственно первую и вторую производные по безразмерному времени τ, а 2Т - безразмерное время разворота.where the symbols' and “mean respectively the first and second derivatives with respect to the dimensionless time τ, and 2T is the dimensionless turn time.

Сохраняя известную по способу-прототипу последовательность операций при выполнении программного разворота (разгон, движение по инерции, торможение), выберем временную программу управления в виде, показанном на фиг.2. При этом система (14) за безразмерное время 2Т перейдет из начальных условий (11) в конечные условия, определяемые формуламиKeeping the sequence of operations known by the prototype method when performing a program turn (acceleration, inertia, braking), we will choose a temporary control program in the form shown in figure 2. In this case, system (14) in the dimensionless time 2T will go from the initial conditions (11) to the final conditions determined by the formulas

$$x\left(2T\right)=x_0-\sigma \left(T^2-{\xi }^2\right);y\left(2T\right)=2\sigma \cos \left(\tau -T\right)\left(\cos T-\cos \xi \right),\left(17\right)$$

$$x\left(2T\right)=x_0-\sigma \left(T^2-{\xi }^2\right);y\left(2T\right)=2\sigma \cos \left(\tau -T\right)\left(\cos T-\cos \xi \right),\left(17\right)$$

где σ=signx₀. Чтобы обеспечить выполнение конечных условий (16), достаточно выбрать в качестве безразмерного времени Т одно из значений последовательностиwhere σ = signx ₀ . To ensure that the final conditions (16) are satisfied, it suffices to choose one of the sequence values as the dimensionless time T

$$T=\frac{\left|x_0\right|}{4\pi i}+\pi i,\left(18\right)$$

$$T=\frac{\left|x_0\right|}{\mathrm{four}\pi i}+\pi i,\left(\mathrm{eighteen}\right)$$

где i=1, 2, 3,…, при этомwhere i = 1, 2, 3, ..., while

$$\xi =\left|\frac{\left|x_0\right|}{4\pi i}-\pi i\right|\left(19\right)$$

$$\xi =\left|\frac{\left|x_0\right|}{\mathrm{four}\pi i}-\pi i\right|\left(19\right)$$

Минимальное безразмерное время разворота обеспечивается при $$i*=\left[\frac{\sqrt{\left|x_0\right|+{\pi }^2}+\pi }{2\pi }\right]$$

, где квадратные скобки обозначают целую часть числа. Однако при i=i* амплитуда переходного процесса по углу отклонения маятника, моделирующего колебания жидкости в баке, может достигнуть недопустимой величины. Для характерных значений параметров рассматриваемого в примере разгонного блока целесообразно выбрать значение i=2.The minimum dimensionless turn time is provided at $$i*=\left[\frac{\sqrt{\left|x_0\right|+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\pi "\; filenames="00000044.png,00000045.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi </figure-callout>}}^2}+\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\pi "\; filenames="00000044.png,00000045.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi </figure-callout>}}{2\pi }\right]$$

where the square brackets denote the integer part of the number. However, for i = i *, the amplitude of the transient in the angle of deviation of the pendulum, which simulates fluid oscillations in the tank, can reach an unacceptable value. For the characteristic values of the parameters considered in the example of the upper stage, it is advisable to choose the value i = 2.

Полученные значения параметров T и ξ позволяют реализовать управление программным разворотом, показанное на фиг.2, как функцию времени. Однако для технической реализации целесообразно представить это же управление как функцию переменных состояния x и x', т.е. осуществить синтез управления с обратной связью. Наличие обратной связи, как известно, позволяет компенсировать влияние возмущений, связанных с влиянием внешних факторов, неточным знанием параметров объекта управления и регулятора, неучетом в математической модели второстепенных факторов и др. В предлагаемом способе управления программным разворотом разгонного блока как раз и используется принцип обратной связи. С этой целью были получены уравнения линий переключения в фазовой плоскости (x, x'). При этом отключение двигателя ориентации в конце участка разгона и включение противоположного двигателя ориентации в начале участка торможения осуществляются при достижении параметром x на фазовой плоскости соответственно первой и второй линий переключения (см. фиг.3). Уравнение первой линии переключения имеет вид (для характерных для рассматриваемого РБ значений безразмерного начального условия $$\left|x_0\right|<16{\pi }^2$$

)The obtained values of the parameters T and ξ make it possible to realize the control of the software turn, shown in Fig. 2, as a function of time. However, for technical implementation it is advisable to present the same control as a function of state variables x and x ', i.e. implement feedback control synthesis. The presence of feedback, as you know, allows you to compensate for the influence of disturbances associated with the influence of external factors, inaccurate knowledge of the parameters of the control object and controller, non-consideration of minor factors in the mathematical model, etc. The feedback principle is used in the proposed method for controlling the software turn of the overclocking unit . For this purpose, the equations of the switching lines in the phase plane (x, x ') were obtained. In this case, the orientation engine is turned off at the end of the acceleration section and the opposite orientation engine is turned on at the beginning of the braking section when the parameter x on the phase plane reaches the first and second switching lines, respectively (see Fig. 3). The equation of the first switching line has the form (for the values of the dimensionless initial condition characteristic of the RB under consideration $$\left|x_0\right|<16{\pi }^2$$

)

$$f_1\left(x\text{'}\right)=-4\pi x\text{'}+\frac{x\text{'}\left|x\text{'}\right|}{2}\left(20\right)$$

, $$f_{\mathrm{one}}\left(x\text{'}\text{'}\right)=-\mathrm{four}\pi x\text{'}\text{'}+\frac{x\text{'}\text{'}\left|x\text{'}\text{'}\right|}{2}\left(\mathrm{twenty}\right)$$

,

а уравнение второй линии переключенияand the equation of the second switching line

$$f_2\left(x\text{'}\right)=-\frac{x\text{'}\left|x\text{'}\right|}{2}\left(21\right)$$

. $$f_2\left(x\text{'}\text{'}\right)=-\frac{x\text{'}\text{'}\left|x\text{'}\text{'}\right|}{2}\left(21\right)$$

.

Для реализации такого управления заранее перед полетом РБ вычисляют зависимости коэффициентов (13) линейных функций (8) и (9) от уровня h окислителя в баке. Для этого вначале расчетным путем или экспериментально определяют зависимости от h безразмерных параметров маятниковой модели поведения жидкости: квадрата безразмерной частоты колебаний маятника $${\overline{\omega }}^2$$

, безразмерной массы материальной точки маятника $$\overline{m}$$

, безразмерного расстояния от нижнего полюса бака до точки подвеса маятника $$\overline{C}\text{'}$$

[3]. По этим данным определяют длину нити маятника $$l=\frac{R}{{\overline{\omega }}^2}$$

, массу материальной точки маятника $$m=\rho R^3\overline{m}$$

и расстояние от точки подвеса маятника до центра масс твердого тела $$d=x_T-x_0-\overline{C}\text{'}R-l$$

, где R - характерный размер бака, ρ - плотность окислителя, x_T-х₀ - расстояние от центра масс твердого тела до нижнего полюса бака окислителя. Наконец, по формулам (3), (4), (13) определяют зависимости коэффициентов k, k₁, k₂ от уровня h окислителя в баке. Эти заранее рассчитанные зависимости используются в полете для определения значений коэффициентов. Для этого перед осуществлением программного разворота в соответствии с предлагаемым способом измеряют уровень h окислителя в баке.To implement such control, the dependences of the coefficients (13) of the linear functions (8) and (9) on the oxidizer level h in the tank are calculated in advance of the RB flight. To do this, first, by calculation or experimentally, the dependences on h of the dimensionless parameters of the pendulum model of fluid behavior are determined: the square of the dimensionless oscillation frequency of the pendulum $${\overline{\omega }}^2$$

, the dimensionless mass of the material point of the pendulum $$\overline{m}$$

, dimensionless distance from the lower pole of the tank to the point of suspension of the pendulum $$\overline{C}\text{'}\text{'}$$

[3]. These data determine the length of the pendulum string $$l=\frac{R}{{\overline{\omega }}^2}$$

, mass of the material point of the pendulum $$m=\rho R^3\overline{m}$$

and the distance from the pendulum suspension point to the center of mass of the solid $$d=x_T-x_0-\overline{C}\text{'}\text{'}R-l$$

where R is the characteristic size of the tank, ρ is the density of the oxidizing agent, x _T -x ₀ is the distance from the center of mass of the solid to the lower pole of the oxidizing tank. Finally, according to formulas (3), (4), (13), the dependences of the coefficients k, k ₁ , k ₂ on the level h of the oxidizing agent in the tank are determined. These pre-calculated dependencies are used in flight to determine coefficient values. To do this, before carrying out a program turn in accordance with the proposed method, measure the level h of the oxidizing agent in the tank.

Во время выполнения программного разворота периодически измеряют угол ϑ и угловую скорость $$\dot{\vartheta }$$

разворота разгонного блока, а также угол s_ϑ и угловую скорость $${\dot{s}}_{\vartheta }$$

отклонения поверхности окислителя в баке от продольной оси разгонного блока, которые по формулам (8)-(10) пересчитываются в параметры управления x и x'. Измерение углов отклонения поверхности окислителя в баке в двух плоскостях можно осуществить, например, с использованием трех радиоволновых уровнемеров, расположенных на боковой стенке внутри цилиндрического бака под углами в 120°. В частности, могут использоваться уровнемеры «Микрорадар-216Н» [4], имеющие массу не более 3 кг и обеспечивающие измерение уровня жидкости в пределах от 0,5 м до 4 м с точностью ±2,5 мм и частотой выдачи измеренных значений уровня не менее 10 1/с. Угловая скорость отклонения поверхности окислителя в баке от продольной оси разгонного блока может быть получена численным дифференцированием измеренного угла отклонения.During program turn, the angle ϑ and the angular velocity are periodically measured $$\dot{\vartheta }$$

turn of the booster block, as well as the angle s _ϑ and the angular velocity $${\dot{s}}_{\vartheta }$$

deviations of the oxidizer surface in the tank from the longitudinal axis of the booster block, which are converted into control parameters x and x 'according to formulas (8) - (10). The measurement of the angle of deviation of the oxidizer surface in the tank in two planes can be carried out, for example, using three radio wave level gauges located on the side wall inside the cylindrical tank at angles of 120 °. In particular, Microradar-216N level gauges [4] can be used, having a mass of not more than 3 kg and providing a measurement of the liquid level in the range from 0.5 m to 4 m with an accuracy of ± 2.5 mm and the frequency with which the measured level values are not less than 10 1 / s. The angular velocity of the deviation of the oxidizer surface in the tank from the longitudinal axis of the booster block can be obtained by numerically differentiating the measured deflection angle.

Результаты математического моделирования процесса управления программным разворотом с использованием предлагаемого способа, представленные на фиг.4 (а, б, в) показывают хорошее качество управления как при номинальных значениях характеристик разгонного блока (а), так и при 5%-ных разбросах на значения моментов инерции РБ и тяги двигателей поджатия (б, в).The results of mathematical modeling of the process of controlling a software turn using the proposed method, presented in Fig. 4 (a, b, c) show good control quality both at nominal values of the characteristics of the upper stage (a) and at 5% dispersion in the values of the moments inertia of the Republic of Belarus and traction of the compression motors (b, c).

Таким образом, благодаря реализации предложенного в изобретении технического решения, решается задача управления программным разворотом разгонного блока, обеспечивающего на участке работы двигателей поджатая выполнение разворота РБ на заданный угол без перерегулирования с одновременным гашением колебаний компонентов топлива в баках.Thus, due to the implementation of the technical solution proposed in the invention, the task of controlling the software turn of the accelerating unit is solved, which ensures that the RB is rotated to a predetermined angle without overshooting while damping the vibrations of the fuel components in the tanks.

Источники информацииInformation sources

1. Б.В. Раушенбах, Е.Н. Токарь. Управление ориентацией космических аппаратов. М., «Наука», 1974 г., стр.191-194.1. B.V. Rauschenbach, E.N. Turner. Spacecraft orientation control. M., "Science", 1974, pp. 191-194.

2. А.Ш. Альтшулер, В.А. Лобанов. Математические модели пространственных колебаний жидких компонентов топлива в баках ракеты космического назначения на активных участках полета. Авиакосмическая техника и технология. 2010 г., №2, стр.39-46.2. A.Sh. Altshuler, V.A. Lobanov. Mathematical models of spatial vibrations of liquid fuel components in space rocket tanks at active flight sites. Aerospace engineering and technology. 2010, No. 2, pp. 39-46.

3. К.С. Колесников. Динамика ракет. М. «Машиностроение», 2003 г.3. K.S. Kolesnikov. The dynamics of rockets. M. "Engineering", 2003

4. Уровнемер радиоволновой «Микрорадар-21611» ТУ BY 190460725.003-2009. Руководство по эксплуатации РЭ216Н.000-06. http://www.microradartest.com, , [email protected].4. The level meter radio wave "Microradar-21611" TU BY 190460725.003-2009. Operation manual RE216N.000-06. http://www.microradartest.com,, [email protected].

Claims (1)

Способ управления программным разворотом разгонного блока с помощью неподвижных двигателей ориентации постоянной тяги, заключающийся в выполнении набора угловой скорости - разгоне, движении по инерции, уменьшении угловой скорости до нуля - торможении и импульсном включении двигателей ориентации при уменьшении угловой скорости ниже заданного уровня, отличающийся тем, что в случае осуществления программного разворота, совмещенного по времени с работой двигателей поджатия, перед разворотом измеряют уровень h наиболее влияющего на динамику разворота компонента топлива в баке, а в процессе разворота периодически измеряют рассогласование по углу Δϑ и угловую скорость

разворота разгонного блока, угол s_ϑ и угловую скорость

отклонения поверхности указанного компонента топлива в баке от продольной оси разгонного блока, при этом выключение двигателей ориентации в конце участка разгона осуществляют при достижении параметром x значения ƒ₁(x'), включение двигателей ориентации в начале участка торможения осуществляют при достижении параметром x значения ƒ₂(x'), где

;

функции переключения, а параметры x и x' задают в виде линейных функций измеренных углов и угловых скоростей x=k(k₁Δϑ+k₂s_ϑ),

с коэффициентами k, k₁, k₂, определяемыми по заранее рассчитанным зависимостям от уровня h компонента топлива в баке. The method of controlling the software rotation of the accelerating unit using stationary engines of constant thrust orientation, which consists in performing a set of angular velocity - acceleration, inertia, reducing the angular velocity to zero - braking and switching on the orientation engines when the angular velocity decreases below a predetermined level, characterized in that in the case of the implementation of a software reversal, combined in time with the operation of the preload engines, before the reversal, the level h of the most affecting dyne is measured the turn of the fuel component in the tank, and during the turn, the mismatch in the angle Δϑ and the angular velocity are periodically measured

U-turn of the upper stage, angle s _ϑ and angular velocity

deviations of the surface of the specified fuel component in the tank from the longitudinal axis of the upper stage, the orientation engines at the end of the acceleration section are turned off when parameter x reaches ƒ ₁ (x '), the orientation engines are turned on at the beginning of the braking section when parameter x reaches ƒ ₂ (x ') where

;

switching functions, and the parameters x and x 'are set in the form of linear functions of the measured angles and angular velocities x = k (k ₁ Δϑ + k ₂ s _ϑ ),

with coefficients k, k ₁ , k ₂ determined by pre-calculated dependences on the level h of the fuel component in the tank.

Images