一种高效程序转弯的弹道设计方法与流程

本申请涉及运载火箭弹道设计，特别涉及一种高效程序转弯的弹道设计方法。

背景技术：

1、除探空任务外，运载火箭需要在一级飞行段完成程序转弯，实现快速转弯的目的，以使运载火箭关机时达到飞行器所要求的运动状态。

2、一级飞行段一般包括垂直上升段和一级程序转弯段。在垂直上升段，攻角为零，运载火箭垂直上升。若垂直上升段的时间过长，会增大速度的重力损失，转弯时因速度过大而需要较大的法向力。若垂直上升段的时间过短，发动机可能还未达到额定工作状态，或者速度过小导致控制力矩太小，从而影响控制性能。在一级程序转弯段，动压比较大，干扰力矩强，以致克服困难。

3、因此，在一级飞行段设计程序转弯时，运载火箭干扰力矩强、控制力矩小导致控制系统设计压力较大，控制精度低。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种高效程序转弯的弹道设计方法，以解决相关技术运载火箭干扰力矩强、控制力矩小导致控制系统设计压力大、控制精度低的技术问题。

2、本申请实施例提供了一种高效程序转弯的弹道设计方法，其包括以下步骤：

3、在运载火箭上布置两台转弯发动机，依次提供侧向推力；

4、在程序转弯段设计程序角模式，设置交班点；

5、所述交班点前，所述程序角模式为俯仰角模式；

6、自所述交班点后，所述程序角模式从俯仰角模式转换为攻角模式。

7、在一些实施例中，所述程序转弯段包括依次设置的垂直上升段、匀加速段、匀减速段、攻角回零段；其中，所述匀加速段为第一台转弯发动机工作时段，所述匀减速段为第二台转弯发动机工作时段，所述交班点设置于所述匀减速段和所述攻角回零段的交班时刻。

8、在一些实施例中，所述程序角模式包括：

9、根据所述程序转弯段中各阶段结束时刻构建分段函数；

10、所述分段函数为：

11、

12、

13、式中，φcx为俯仰角；t1为垂直上升段结束时刻；t2为第一台转弯发动机工作结束时刻；t3为第二台转弯发动机工作结束时刻；t4为程序转弯结束/攻角回零时刻；θ为弹道倾角；α为飞行攻角；k为程序转弯段角加速度；ɑmax，转弯系数ɑ，t0为常数项；

14、确定所述程序转弯段中各阶段结束时刻和交班点参数。

15、在一些实施例中，确定所述程序转弯段中垂直上升段结束时刻t1包括：

16、根据所述运载火箭的起飞推重比获取垂直上升段结束时刻t1；

17、计算公式为：

18、

19、式中，f为运载火箭起飞推力，g为运载火箭起飞时所受到的重力。

20、在一些实施例中，确定所述程序转弯段中第一台转弯发动机工作结束时刻t2包括：

21、设定所述转弯发动机工作时段δt；

22、获取所述程序转弯段的角加速度k；

23、计算所述转弯发动机总冲i1；

24、计算公式为：i1＝(m气+k×j)×δt/l；

25、其中，m气为转弯发动机工作时段δt内俯仰气动力矩；l为转弯发动机距一级质心的距离；j为一级质心绕俯仰方向转动惯量；

26、基于所述转弯发动机总冲i1获取所述转弯发动机参数；

27、若所述转弯发动机参数不满足设定要求，修改其工作时段δt；

28、重复上述步骤，直至所述转弯发动机参数满足设定要求；

29、根据所述转弯发动机的工作时段δt计算第一台所述转弯发动机工作结束时刻t2；

30、计算公式为：δt＝t2-t1。

31、在一些实施例中，确定所述程序转弯段中第二台转弯发动机工作结束时刻t3包括：

32、根据所述转弯发动机的工作时段δt计算第二台所述转弯发动机工作结束时刻t3；

33、计算公式为：2δt＝t3-t1。

34、在一些实施例中，确定所述交班点参数包括：

35、基于所述运载火箭的弹道获取交班时刻t3对应的攻角

36、基于所述交班时刻t3对应的攻角获取攻角变化率

37、所述攻角变化率的计算公式为：

38、

39、其中，h为弹道积分计算时的步长。

40、在一些实施例中，确定所述程序转弯段中程序转弯结束/攻角回零时刻t4包括：

41、设定转弯系数ɑ为大于0的初值；

42、根据所述转弯系数ɑ确定常数项ɑmax，t0；

43、计算公式为：

44、

45、t0＝lna/a+t3；

46、

47、根据所述常数项ɑmax，ɑ，t0确定程序转弯结束/攻角回零时刻t4；

48、计算公式为：

49、

50、其中，δ为攻角绝对值；

51、判断t4是否在跨音速段；

52、若t4在跨音速段，调整转弯系数ɑ，重复上述步骤，直至t4不在跨音速段。

53、在一些实施例中，所述转弯发动机为两台相同的侧喷转弯发动机。

54、在一些实施例中，所述转弯发动机在所述运载火箭上对称布置。

55、本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

56、本申请提供一种高效程序转弯的弹道设计方法，在运载火箭上配置两台转弯发动机以提供控制冲量矩，通过两台转弯发动机接力工作，依次为程序转弯段提供侧向推力，辅助完成程序转弯；通过设计具有交班点的程序角模式，精准匹配转弯发动机的工作模式，以满足火箭转弯过载、转弯角速率、攻角变化率等多种约束，转弯全程平滑，有效提升控制品质。该方法减少控制系统设计压力，保证运载火箭姿态控制精度，实用、简便，易于工程实现，提高了固体运载火箭对发射任务的适应性。

技术特征：

1.一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，所述程序转弯段包括依次设置的垂直上升段、匀加速段、匀减速段、攻角回零段；其中，所述匀加速段为第一台转弯发动机工作时段，所述匀减速段为第二台转弯发动机工作时段，所述交班点设置于所述匀减速段和所述攻角回零段的交班时刻。

3.如权利要求2所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，所述程序角模式包括：

4.如权利要求3所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，确定所述程序转弯段中垂直上升段结束时刻t1包括：

5.如权利要求3所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，确定所述程序转弯段中第一台转弯发动机工作结束时刻t2包括：

6.如权利要求5所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，确定所述程序转弯段中第二台转弯发动机工作结束时刻t3包括：

7.如权利要求6所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，确定所述交班点参数包括：

8.如权利要求7所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，确定所述程序转弯段中程序转弯结束/攻角回零时刻t4包括：

9.如权利要求1所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，所述转弯发动机为两台相同的侧喷转弯发动机。

10.如权利要求1至9任一项所述的一种高效程序转弯的弹道设计方法，其特征在于，所述转弯发动机在所述运载火箭上对称布置。

技术总结
本申请涉及一种高效程序转弯的弹道设计方法，包括：在运载火箭上布置两台转弯发动机，依次提供侧向推力；在程序转弯段设计程序角模式，设置交班点；交班点前，程序角模式为俯仰角模式；自交班点后，程序角模式从俯仰角模式转换为攻角模式。本发明提供一种高效程序转弯的弹道设计方法，在运载火箭上配置两台转弯发动机以提供控制冲量矩，通过两台转弯发动机接力工作，依次为程序转弯段提供侧向推力，辅助完成程序转弯；通过设计具有交班点的程序角模式，精准匹配转弯发动机的工作模式，以满足火箭转弯过载、转弯角速率、攻角变化率等多种约束，转弯全程平滑，有效提升控制品质。该方法减少控制系统设计压力，保证运载火箭姿态控制精度。

技术研发人员：梁纪秋,胡长伟,韩通,彭威,杜林霏,宋金丰,熊闯,郑亚茹
受保护的技术使用者：湖北航天技术研究院总体设计所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15