[发明专利]基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法及系统。其中，该方法包括以下步骤：步骤一：确定运载火箭一子级箭体垂直返回过程中姿态控制所使用的执行机构；步骤二：通过姿态执行机构的使用原则使用执行机构，进而控制一子级箭体姿态；步骤三：利用基于区域划分的四元数法计算一子级箭体姿态参数。本发明解决了运载火箭一子级分离后不同飞行阶段的姿态控制问题，满足运载火箭子级垂直返回方案要求。

技术领域

本发明属于飞行器控制领域，尤其涉及一种基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法。

背景技术

运载火箭子级垂直返回是指火箭子级在完成飞行任务进行级间分离后，通过控制系统和动力装置，按照设定的轨迹自主飞回着陆场，并以垂直的箭体姿态稳定的降落到着陆场指定位置。

在火箭子级分离后返回地面过程中，要经历姿态调整段、再入段、落点调整段、垂直着陆段等不同的飞行段，空域跨度大，飞行环境复杂。不同飞行段有不同的姿态控制需求，单靠一种执行机构很难满足运载火箭子级返回全程飞行姿态控制的要求。利用多执行机构联合控制能解决火箭子级返回过程各飞行段的姿态控制问题，也是实现火箭子级垂直返回的关键技术。

根据国内外有关文献检索情况，国内外已公开发表的非专利文献和专利文献中，均未发现与本技术研究内容完全相同的文献报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法及系统，解决了运载火箭一子级分离后飞行过程的姿态控制问题。

本发明的技术方案是：根据本发明的一个方面，提供了一种基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：确定运载火箭一子级箭体垂直返回过程中姿态控制所使用的执行机构；步骤二：通过姿态执行机构的使用原则使用执行机构，进而控制一子级箭体姿态；步骤三：利用基于区域划分的四元数法计算一子级箭体姿态参数。

上述基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法中，在步骤一中，运载火箭一子级箭体上安装使用的执行机构包括：一子级主发动机、反作用推力器和栅格翼，其中，一子级主发动机设置于一子级箭体的尾部，反作用推力器设置于一子级箭体级间段位置，栅格翼设置于一子级箭体级间段位置。

上述基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法中，步骤二具体包括：(1)首先采用栅格翼作为运载火箭一子级箭体的控制执行机构，如果栅格翼产生的最大控制力矩小于将一子级箭体当前时刻所需的控制力矩即若则进入步骤(2)；如果转入步骤(4)；(2)开启主发动机产生最大控制力矩为如果则进入步骤(3)；如果则使用栅格翼和主发动机联合进行姿态控制，进入步骤(5)；(3)开启反作用推力器产生固定的正向控制力矩为M_r，如果则重新调整一子级主发动机、反作用推力器和栅格翼的各项技术指标、安装位置和布局；如果且则重新调整一子级主发动机、反作用推力器和栅格翼的各项技术指标、安装位置和布局；如果且则使用栅格翼、主发动机和反作用推力器联合进行姿态控制，进入步骤(6)；(4)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f，其中，M_f为栅格翼在当前时刻实际产生的控制力矩；(5)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f+M_δ，M_δ为主发动机在当前时刻实际产生的控制力矩；(6)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f+M_δ+y_rM_r，其中为y_r为反作用推力器在当前时刻的开关指令，M_r为反作用推力器在当前时刻实际产生的控制力矩。