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《大型捆绑火箭模态纵向分量对姿控系统的影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、第31卷第5期宇航学报Vol.31No.52010年5月JournalofAstronauticsMay2010大型捆绑火箭模态纵向分量对姿控系统的影响分析1121李家文,李道奎,刘军虎,周建平(1.国防科技大学航天与材料工程学院,长沙410073;2.北京航天长征飞行器研究所,北京100076)摘要:针对助推段固体捆绑火箭纵-横-扭强耦合的模态特征,在小变形假设下推导了某型固体捆绑火箭姿态动力学模型,系统分析了模态纵向分量对箭体姿态运动和弹性变形的影响。研究表明,模态纵向分量对箭体姿态运动影响较小,但会加大速率陀螺特别是滚动通道速率陀螺输出信号的
2、高频抖振,这一现象是捆绑火箭因助推器的存在所固有的。模态纵向分量容易和部分呼吸模态和扭转模态发生耦合,但对横向弯曲模态基本无影响。关键词:捆绑火箭;纵向模态;纵向振动;扭转振动;姿态控制中图分类号:V448.1文献标识码:A文章编号:10001328(2010)05139008DOI:10.3873j.issn.10001328.2010.05.022中基于有限元方法简要给出了大型液体捆绑火箭的0引言弹性振动方程,该方程完整充分地考虑了纵、横、扭对于无助推器的运载火箭或导弹而言,在进行等各种模态,在理论上为分析纵振模态的影响提供姿控系统分
3、析时可将其简化为两端自由的单根连续了依据。本文在此基础上,针对固体捆绑火箭以芯梁来研究其弹性振动,其纵振、横向弯曲振动和轴向级纵振为主要特征的模态对刚体运动、横向弯曲振扭转振动之间耦合很小,一般忽略纵振对横向弯曲动和扭转振动的影响进行了系统分析,得出了一些和轴向扭转振动的影响。但对捆绑火箭来说,特别有意义的结论。是助推器加长之后,整体火箭呈现出低频密模态、纵[1-3]-横-扭强烈耦合的特点,图1为本文根据某型捆绑火箭梁模型计算得到的若干阶模态,可见模态十分复杂,是典型的空间梁系模态特征。此时芯级的纵振极易引起助推的弯曲,如图1中第4种模态;助推的弯曲也容易引起芯级
4、的扭转、弯曲和纵振,如图1中第6、7、8种模态。弄清纵向振动对横向弯曲和轴向扭转振动的耦合作用机理以及对箭体图1捆绑火箭模态姿态运动的影响,对姿控系统的设计至关重要。Fig.1Modesofstraponlaunchvehicle文献[4]通过对某捆绑运载火箭助推段滚动通道速率陀螺飞行遥测数据高频抖动现象的分析发1模态纵向分量在姿控系统数学模型中的体现现,纵向振动容易和扭转发生耦合,而这种耦合是由捆绑火箭的姿态动力学模型较之无捆绑火箭而于助推器的存在所固有的,并且在目前的箭体模型言要复杂很多,文献[3]基于火箭飞行标准弹道处于上没有得到准确的反映,该文在
5、理论上只是形式化一个平面内,并利用传统的小变形、小转动、小扰动的给出了助推器局部运动方程,没有做进一步分析,[5-6]假设,采用有限元方法描述箭体弹性振动,推导也没有研究纵振对横向弯曲振动的影响。文献[3]收稿日期:20100122;修回日期:20100301第5期李家文等:大型捆绑火箭模态纵向分量对姿控系统的影响分析1391大型捆绑火箭姿态动力学模型。本文采用同样的方、#和&分别为俯仰角、偏航角和滚动角,gz、#gz法推导了具体某型固体捆绑运载火箭的全量非线性和&gz为对应惯组测量姿态角,st、#st和&st为对应姿态动力学模型,在小变形的假
6、设前提下对该非线速率陀螺测量姿态角速度;∀、%、、∃、w和∃w分别性模型进行线性化,并略去影响较小的量,可得到线为弹道倾角、弹道偏角、攻角、侧滑角、风攻角和风侧性化小偏差姿态动力学模型,限于篇幅,这里没有给滑角;!、!#和!&分别为三通道发动机合成等效摆出具体推导过程。线性小偏差模型中俯仰通道刚体角;qi为第i阶弹性振动广义坐标,共有n个模态;运动方程为###Wzi(xgz)、Wyi(xgz)和Wxi(xgz)为惯组处的振型斜率∀!+b1+b2(+w)+b3!+###和扭转振型;Wzi(xst)、Wyi(xst)和Wxi(xst)为速率n
7、b3!+(b1iqi+b2iqi)=MBZ(1)陀螺处的振型斜率和扭转振型;F!BY、F!BZ、MBX、MBYi=1和MBZ为对应方向的结构干扰力和结构干扰力矩。∀∀=c1+c2∀+c4+c3!+以上各式中没有介绍的符号为相应的系数,由于其n#c3!+(c1iqi+c2iqi)+c1w-F!BY(2)具体表达式很复杂,这里不再给出,可参考文献[5,i=16]。姿控系统分析一般不考虑纵向的刚体质心运=∀+(3)[5]动,故滚动通道只有绕质心的刚体运动方程。上偏航通道刚体运动方程为述刚体运动方程和测量方程形
8、式上和传统
