[发明专利]一种变推力火箭发动机推力控制方法

说明书

本发明公开了一种变推力火箭发动机推力控制方法，包括：S1、根据电机和泵的动力学方程，得到电动泵系统的状态空间表达式；S2、对电动泵系统的状态空间表达式进行线性化，得到电动泵系统增量形式的线性化方程；S3、依据增量形式的线性化方程，根据采用的控制策略，可采用设定的方法确定控制器增益；S4、将得到的控制器增益带入到整个系统中去，对于液氧路和甲烷路分别以推力和混合比为控制目标进行仿真计算，根据仿真结果判断控制器增益是否可行，若可行，控制器设计完成；若控制效果达不到设定要求，重复步骤S3并根据采用的方法调整控制器增益的计算，直至达到设定的控制效果。本发明能够很好地对发动机变推力过程的推力进行控制。

技术领域

本发明涉及航天技术与控制技术领域，更具体地说，特别涉及一种变推力火箭发动机推力控制方法。

背景技术

液体火箭发动机是空间运输系统和飞行器推进以及机动的主要动力装置。推力可调的液体火箭发动机近年来得到了广泛重视，其多元化的发展对航空领域提出了新的要求。推力可调的液体火箭发动机是深空探测、运输、行星表面软着陆等任务比较好的动力选择，因为她能够根据任务需求调节推力。为了满足行星表面软着陆的要求，下降阶段发动机必须具备深度调节的能力。变推力液体火箭发动机在这类任务中扮演着很重要的角色，尤其是月球表面着陆。空气稀薄，摩擦力就会很小，飞行器下落过程中只能依靠发动机改变推力来平衡自身重力。单个液体火箭发动机的推力可以通过改变推进剂种类、推进剂流量、喷管出口面积以及喷管喉部来实现。但是由于物理结构和热流等因素的限制，改变推进剂种类、喷管喉部以及出口面积比较困难。调节质量流量是调节发动机推力最简单的方法。

火箭发动机稳定高效地燃烧是保证飞行安全可靠的重要因素。为了使燃料充分雾化、高效燃烧，并且具有一定的抗干扰能力，在变推力过程中保持燃料喷注压降稳定是很重要的。调节推进剂质量流量的同时改变喷注器的面积能够在一定程度上稳定喷注压降。众所周知，涡轮泵推进剂供应系统大幅降低了整个推进系统的重量，但是由于机械结构复杂使得可靠性有所下降(大部分发射失败都是由于涡轮泵失效造成)。因此，电动泵增压系统逐渐进入人们的视野。20世纪80年代小离心泵设计生产并完成了性能测试。这类泵的发展是存储燃料的电动泵发展的需要。和压力输送系统相比，电动泵燃料输送系统使得整个推进系统的重量和体积变小。除了应用在飞机和卫星上，2000年初电动泵还应用在飞行器的发射上，并且为火箭发动机设计输送液氢或者液甲烷的电动泵是一个重要的课题。通过对电动泵驱动的液氧煤油火箭发动机进行性能评估，包括燃烧室压力、燃烧时间、推力、质量以及负载能力等。和气体压力供给系统以及涡轮泵供给系统相比，发现电动泵系统的比质量明显降低，至少在一些应用具有一定的优势，比如小型飞行器或者上面级火箭。同时，先进电池的发展使得电动泵系统比涡轮泵系统更轻，即使是用在燃烧时间较短的助推级上面，也具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变推力火箭发动机推力控制方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种变推力火箭发动机推力控制方法，包括以下步骤，

S1、根据电机和泵的动力学方程，得到电动泵系统的状态空间表达式；

S2、对所述电动泵系统的状态空间表达式进行线性化，得到电动泵系统增量形式的线性化方程；

S3、依据增量形式的线性化方程，根据采用的控制策略，可采用设定的方法确定控制器增益；

S4、将得到的控制器增益带入到整个系统中去，对于液氧路和甲烷路分别以推力和混合比为控制目标进行仿真计算，根据仿真结果判断控制器增益是否可行，若可行，控制器设计完成；若控制效果达不到设定要求，重复步骤S3并根据采用的方法调整控制器增益的计算，直至达到设定的控制效果。

进一步地，所述电动泵系统的状态空间表达式可以表示成：