[发明专利]一种用于火箭推力故障模式下自主控制的平衡飞行理论方法

说明书

本发明公开一种用于火箭推力故障模式下自主控制的平衡飞行理论方法，首先对火箭在推力故障下进行飞行运动分析，获得火箭在径向和周向的受力情况，以及对火箭高度和速度的作用效果；其次对火箭连续机动变轨的飞行力学过程建立动力学模型，获得火箭飞行的动力学方程；接着对火箭的状态进行判断得到火箭的飞行状态(基于平衡飞行理论)；最后对火箭进行自主制导控制。应用本发明方案，可以有效解决火箭在发动机推力下降故障模式下的在线自主制导控制，并给出了解析理论，可适应不同参数类型火箭和故障模式，计算量小，适合于在线应用。

技术领域

本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种用于火箭推力故障模式下自主控制的平衡飞行理论方法。

背景技术

运载火箭各系统都是精细化设计和大量试验的产物，具有非常高的可靠性，但根据墨菲定律，在执行任务过程中，还是不可避免地会遭遇各种不同的故障，且故障模式和发生的时刻都是不确定的。

在全箭众多的故障模式中，动力系统故障是运载火箭最经常发生的，往往也是后果最严重的。对现有故障数据的统计表明：火箭动力飞行段大约有60％的故障是动力系统故障；特别是重型运载火箭，在以大幅提升运载能力为目标的设计约束下，通常会采用并联多助推器的捆绑方式，这在一定程度上也增大了动力系统发生故障的概率，严重时则直接导致飞行任务失败。

发生在大气层外的非致命发动机故障是一种典型情况。1964年，土星1号火箭在实际飞行117秒时，1台H-1发动机突然提前关机。1970年4月11日，发射阿波罗13号飞船的土星5号运载火箭二级主发动机因故提前132秒关机。2017年7月2日，长征五号遥二运载火箭飞行中，芯一级发动机推力瞬时大幅下降。2019年12月20日，美国波音公司与美国国家航天局(NASA)共同开发的星际客车飞船出现了任务耗用时间异常的软件错误。此外，美国德尔塔4号运载火箭和猎鹰9号运载火箭在飞行过程中均出现过动力系统的一台或多台发动机失效的故障模式。这些推力异常的非致命发动机故障往往带来任务失败的严重后果。因此，近年来运载火箭的智能化技术备受关注，而运载火箭在上升段出现推力下降故障的处置策略也就成为切入点之一。

目前对推力异常的非致命发动机故障的研究主要有两种方法：

一、制导方法，包括早期跟踪标准轨迹的制导方法、土星5号基于最优控制理论的迭代制导方法、航天飞机动力显式制导，以及当今多种改进的迭代制导算法。

二、实时优化方法，包括凸优化方法、模拟退火方法、神经网络方法等。

上述两种方法都存在一定的不足：制导方法的问题在于是一种执行方法，对入轨能力的估计不充分，有时也难以保证入轨精度；优化方法的问题在于收敛性、计算效率和实时性难以满足在线应用需求。

发明内容

本发明提供一种用于火箭推力故障模式下自主控制的平衡飞行理论方法，具体技术方案如下：

一种用于火箭推力故障模式下自主控制的平衡飞行理论方法，包括以下步骤：

步骤一、进行推力故障模式下火箭的飞行运动分析，获得火箭在径向和周向的受力情况，以及对火箭高度和速度的作用效果；

步骤二、建立火箭飞行过程的动力学模型，获得火箭飞行的动力学方程如表达式1)：

其中：β表示射程角，r表示地心距，t表示时间，μ表示地球引力系数，a_r表示推力加速度的径向分量，a_θ表示推力加速度的周向分量；

步骤三、对火箭的状态进行判断：

若火箭的推力加速度a_c满足表达式12)，则火箭进入平衡飞行状态：

其中：n为目标圆形轨道的飞行角速度，ω为射程角速度，g₀为圆轨道引力加速度，