液体火箭姿控与Pogo大回路耦合系统稳定性研究

发布时间：2017-12-29 10:06

本文关键词：液体火箭姿控与Pogo大回路耦合系统稳定性研究　出处：《大连理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着液体运载火箭的结构尺寸逐渐增大,箭体的结构模态一方面呈现出低频模态密集分布的特点,另一方面导致模态的空间化分布的特点更加明显和突出。因此,推进系统的液路脉动既可能与结构纵向模态耦合,也可能与横向和扭转模态耦合。而箭体结构弹性振动则会对姿控系统的稳定产生不可忽略的影响,推进系统与结构系统的耦合可能会进一步导致箭体的姿态运动、结构弹性振动和推进系统的液路脉动构成的大回路存在相互耦合,进而影响姿控系统的稳定性。因此,研究大型液体火箭推进系统、结构系统和姿控系统之间的耦合机理,并分析其稳定性是非常有必要的。为此,本文研究了如下具体问题：研究了系统的阻尼比等参数对Pogo振动稳定性的影响机理,指出了临界阻尼比法的局限性。推进系统以单推进剂-单发动机模型,利用Hurwitz稳定性判据导出Pogo振动稳定的充分必要条件。根据临界耦合强度法研究了阻尼比等参数对Pogo振动稳定性的影响机理,发现了增大阻尼比(结构阻尼比或推进系统阻尼比)与Pogo振动稳定性之间的非单调函数关系。以某型号液体火箭模型为例,分别利用临界阻尼比法和临界耦合强度法研究推进系统的等效刚度和燃烧阻尼等物理参数对Pogo振动稳定性的影响,进一步揭示了临界阻尼比法的局限性,即Pogo振动不稳定时假设Pogo振动系统的频率近似等于结构的自然频率是不严谨的。提出了Pogo振动分析与仿真改进的Rubin模型及其快速组装方法。提出了基于“独立重量位移”描述方法,将Rubin模型中的八种物理单元重新组合,提出了九种独立单元。以单元入口端和出口端节点的脉动压强为连接条件,建立微分方程形式的改进的Rubin模型。与Rubin模型相比,该模型非奇异,可直接用于频域分析和时域仿真。而且维数降低近一半,提高了计算效率和数值稳定性。进一步根据九种独立单元的方程的特点,将其采用标准化描述,通过划分节点和单元,根据局部编号和全局编号的映射关系,提出了改进的Rubin模型的快速组装方法,大大提高了重复建模的效率和准确性。利用改进的Rubin模型,建立了含纵向、横向和扭转模态的结构系统和推进系统耦合模型,利用频域分析和时域仿真方法分析了我国长征XX1型号运载火箭Pogo振动稳定性。通过推进系统重要参数(如泵增益、泵柔度、蓄压器能量值)对Pogo振动稳定性的影响研究了推进系统与结构纵横扭模态的耦合稳定性。结果表明对于大型液体捆绑火箭,推进系统参数的变化不仅会导致结构纵向模态失稳,也会导致横向和扭转模态失稳,结构纵横扭模态与推进系统之间存在不可忽略的耦合作用。深入分析了姿控回路和Pogo回路的耦合因素,建立了姿控回路与Pogo回路组成的大回路耦合模型,揭示了推进系统对姿控回路稳定性的影响机理。该模型包含了推进系统、结构系统与姿控系统之间的相互耦合因素,且具有非奇异的优点,可直接用于频域分析和时域仿真。利用该模型研究了我国长征系列XX2型号液体捆绑火箭推进系统参数(泵增益和蓄压器能量值)对大回路耦合稳定性的影响。研究得出,推进系统的参数变化不仅引起了结构失稳,也导致了火箭的姿态运动不稳定。根据本文提出的建模及分析理论和方法,在Matlab编译环境中开发了“液体火箭推进-结构-控制耦合动力学分析软件”。该软件以改进的Rubin模型、大回路模型的建模和分析方法为基础,采用模块化设计方法,通过界面操作或命令操作的形式实现了姿控回路、Pogo回路以及“姿控-结构-推进”大回路的模型建立、频域分析和时域仿真功能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.1

【相似文献】