传统的一次性使用运载火箭在完成发射任务后,不能进行回收利用,成本很高,如果运载火箭能够回收并重复使用,其发射成本会大幅度降低。此外,由于我国三大发射基地在内陆,运载火箭子级,助推器,整流罩等的坠落,会威胁到当地居民生命财产安全,如果能够落入指定区域,则可以消除这些隐患。因此,回收运载火箭对我国有着特殊意义[1]。
本文提出一种新的基于拉网主动控制的运载火箭着陆策略,旨在降低运载火箭软着陆风险,提高可靠性。
1 垂直返回技术介绍
运载火箭垂直返回主要分为两个阶段,第一阶段为运载火箭自主返回及在目标物上空悬停,第二阶段为着陆。
1.1 第一阶段
基于推力器反推的运载火箭软着陆控制策略,其本质是一个12维度约束下的最优控制问题,要求在同一时刻实现位置,速度,角度,角速度同时为0。
由于控制偏差的存在,运载火箭的着陆机构势必不会同时与地面接触,接触导致的单边弹性力干扰力矩可能会使箭体倾倒,引起回收任务失败,从工程安全考虑,一般先实现箭体在目标靶位上空一定距离处悬停。
1.2 第二阶段
减小火箭推力,运载火箭在重力作用下缓缓降落并着陆。在运载火箭自身携带的着陆机构的帮助下,实现运载火箭平稳着陆。
该过程中,最为关键的是吸收着陆冲击载荷的缓冲器技术,实践表明,基于推力器反推软着陆的运载火箭回收方案,技术难度大,对控制要求较高,稍有不慎即可能导致回收任务功亏一篑。
2 拉网主动控制
2.1 工作流程
针对垂直返回运载火箭着陆阶段可靠性不足,提出一种基于拉网主动控制的运载火箭回收策略,以增加垂直返回运载火箭的回收可靠性。
其工作流程如图1。
图1
2.2 工作原理
运载火箭与网面接触后,如果不进行主动控制,运载火箭势必会在干扰力作用下,朝某个方向倒下,其倒下的方向在二维水平面上是随机的。因此,运载火箭与网面接触后必须开始执行网面主动控制。
为简化问题描述,以一维控制为例对拉网控制过程进行描述。拉网回收系统工作原理如图2。
图2
表1 控制电机转向与姿态位置控制效果对应关系
| 序号 | 左电机 | 右电机 | 控制角 | 控制效果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 顺时针 | 顺时针 | 左右相等 | 姿态减 |
| 2 | 逆时针 | 逆时针 | 左右相等 | 姿态加 |
| 3 | 顺时针 | 逆时针 | 左右相等 | 位置升高 |
| 4 | 逆时针 | 顺时针 | 左右相等 | 位置降低 |
实际上,当左右电机转角不同时,即可实现对运载火箭姿态和轨道同时控制。
2.3 执行机构
将上述一维控制扩展为二维控制,即实现运载火箭姿态和位置在空间中的主动控制,拉网控制系统外形示意图如图3。
图3
图中, $A0$,$A4$,$E0$,$E4$为结构固定点;$B0$,$C0$,$D0$,$B4$,$C4$,$D4$, $A1$,$A2$,$A3$, $E1$,$E2$,$E3$为需要电机控制的点;$B1$,$B2$,$B3$,$C1$,$C2$,$C3$,$D1$,$D2$,$D3$为网间节点。
网间节点,是指纵横两线的交点,两条线在网间节点处可自由穿梭,但在竖直方向需保持一致,见示意图4。
图4
拉网控制分为横轴(01234方向)控制和纵轴($ABCDE$方向)控制,通过各控制点对各自缆绳长度的控制,可以实现运载二维姿态控制和运载火箭高低方向的位置控制,实际上,两个维度协同控制时,还可实现运载火箭有限范围平移,最终能实现运载火箭二维姿态控制和三维位置的控制。
注：绕滚动方向不受拉网主动控制,运载火箭受网摩擦力矩作用,初步设计可将滚动角和滚动角速度视为0。
2.4 测量子系统
运载火箭配置GPS,陀螺仪,加速度计等传感器,且运载火箭与地面拉网着陆系统之间可以实现高速通讯,地面系统能准确获知运载火箭的姿态和位置信息。
除了实时接收运载火箭上的姿态和位移信号,拉网控制系统自身也具有双目视觉等传感器系统,可以与从运载火箭获得的信息进行融合,提升测量置信度。
组成网面的控制缆绳配置还可配置拉力传感器,还可实时计算网面承力(即运载火箭所受反作用力)情况。
3 设计约束及要点
3.1 网洞大小设计
图5
从图5可以看出,当系统平衡时,运载火箭质心必然在蓝色点附近小幅波动,也就是说,稳定时箭体并不是垂直于地表的,倾斜角度与箭体底部落在拉网的位置有关。此外,真正用于控制的是与箭体有接触的两组(横纵各一组)拉绳,其他拉绳主要是起保护作用。
3.2 滚动控制可行性分析
控制箭体某组拉绳由多根相互平行的拉绳组成,多根拉绳之间共同进退,如果拉绳与箭体底部没有相对滑动,理论上可以阻尼箭体滚动角速度,也不会激发箭体滚动角速度。
但是,拉绳有弹性,电机控制存在误差,因此,同一组拉绳中每条拉绳可能会存在相对位移,呈现出零均值的近似正弦运动,若箭体结构桡性模态与系统控制参数和拉绳弹性系数等不匹配,可能无法阻尼箭体滚动姿态,甚至可能激发箭体滚动姿态,因此,拉绳弹性,电机控制误差,箭体结构桡性模态参数、控制参数之间的匹配性设计是一项关键技术。
运载火箭初始滚动轴角动量主要通过控制电机吸收,因此,要求箭体初始滚动角动量足够小,以避免由于滚动角速度过大而出现箭体与拉绳之间打滑的现象。
虽然滚动角速度不可能绝对为0,但由于箭体滚动角速度较小,其形成的陀螺效应对其他两轴控制影响可忽略。
3.3 俯仰偏航控制可行性分析
着网后的箭体控制,可以视为平面倒立摆[6],通过电机控制拉绳的运动方向,拉绳作用于运载火箭底部的摩擦力,提供俯仰和偏航方向控制力矩,实现俯仰偏航姿态控制。
3.4 系统控制参数设计
箭体质量大,且结构相对比较脆弱。为了尽量避免对箭体的损伤,拉绳必须有足够弹性。要实现箭体的位置上下方向控制并最终引导箭体软着陆,拉绳会比较长,简单力学分析可知,箭体不同高度,拉绳受拉力是不同的,此外,对不同的运载火箭,相同高度时,拉绳所受拉力也不同,因此,该拉网控制系统本质上是一个变参数系统。
拉绳的弹性系数,箭体重量,箭体相对位置等参数均可视为已知,在设计电机控制参数和计算电机控制转角转速时,需将上述参数作为输入前馈,而且,控制参数设计应考虑好足够的裕度。
3.5 防滑设计
当箭体初始俯仰/偏航角或角速度过大,箭体底部与拉网之间的摩擦力(摩擦力的最大值可简单认为是箭体重力×静摩擦系数)不足以提供足够的控制力矩,会出现两者之间的相对滑动,会引起箭体失控而倒台。因此,箭体初始俯仰/偏航角和角速度不能过大,而且,在选择拉绳材质和表面处理时,应尽量提升其摩擦系数。
此外,即使箭体为理想姿态,但若控制力矩为大噪声的高频力矩(可能是测量噪声或控制噪声引起),由于箭体惯量大,来不及响应高频噪声控制力矩,也会导致箭体和拉绳之间出现不必要的滑动,弱化拉网控制能力或导致回收失败。
为了减小不必要的噪声控制力矩,首先,需要箭体姿态及角速度估计精度尽量高;其次,应选用高精度,响应快的控制电机,尽量减小控制电机的高频力矩噪声;再次,所选用的拉绳也应具有一定弹性,滤除部分控制电机所产生的高频力矩噪声。
3.6 工程应用分析
根据拉网各项性能指标参数,可以计算出运载要求,比如对运载重量,结构受力裕度等提出要求,同样地,拉网控制系统各项指标设计也需要参考运载指标,两者设计存在相互迭代的过程。
虽然拉网有一定姿态和位置纠偏能力,但如果第一阶段初值(位置,姿态,姿态和角速度)过大,超过拉网控制能力范围,则任务可能会失败。
该方法一定程度上可以提高基于反推器反推的运载火箭回收可靠性,但是,运载火箭尾部与柔性网面接触,可能使得运载火箭尾部结构受力不均,最终造成运载火箭尾部结构损伤,需对运载火箭尾部结构进行加固和适应性设计。
滚动方向不受拉网主动控制,需要进一步深入分析滚动角和角速度对整个控制系统的影响。
4 结论
针对垂直降落火箭回收时风险大,可靠性裕度相对不足的缺点,提出了主动拉网控制策略,为运载火箭的回收提供一个新的思路。
拉网控制策略不仅适用于运载火箭回收,对于在重力条件下,需同时控制物体姿态和位置的任务,也有一定启发作用。
参考文献
运载火箭子级回收技术研究
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